Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Química e Biológica, 2017. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2017-04-27T13:39:57Z No. of bitstreams: 1 2017_RenanStefaniniLopes.pdf: 2635553 bytes, checksum: b79eac9d49882d16ea362d40610975fc (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2017-04-27T22:08:52Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_RenanStefaniniLopes.pdf: 2635553 bytes, checksum: b79eac9d49882d16ea362d40610975fc (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-27T22:08:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_RenanStefaniniLopes.pdf: 2635553 bytes, checksum: b79eac9d49882d16ea362d40610975fc (MD5) / O Brasil apresenta-se como um lugar favorável para a implementação de uma economia onde as principais fontes de energia e matérias-primas sejam de origem de processos renováveis. Para isso é necessário o melhor aproveitamento do chamado material lignocelulósico, que consiste na maior parte do material das plantas e que não é utilizado para a produção de alimento. A produção industrial de combustíveis vindo desse material tem se demonstrado um desafio por conta da estrutura complexa do material lignocelulósico. Nesse contexto as enzimas acessórias, como as expansinas, tem demonstrado grande potencial por apresentarem sinergismo com as enzimas celulases usadas na conversão da celulose e hemicelulose em açúcares simples. Este trabalho tem como intuito o estudo da produção da proteína expansina de origem bacteriana BsEXLX1 usando o organismo hospedeiro Komagataella pastoris em biorreator de bancada. Inicialmente foram realizados experimentos com a Pichia para estudar o comportamento da levedura em um sistema fechado de biorreator, e observou-se os efeitos que a agitação, quantidade de inóculo e pH têm sobre o consumo de glicose e produção de biomassa e etanol. Com esse estudo ficou claro a relação do pH mais ácido com a alta produção de etanol e alto consumo de glicose, a relação entre a quantidade de inóculo e a produção de etanol mostrou-se diretamente proporcional. Com base nesses resultados foram elaborados dois planejamentos fatoriais completos 25 em Erlenmeyers com Komagataella pastoris para a produção da proteína expansina BsEXLX1. Mediu-se as quantidades de proteínas solúveis produzidas, assim como as taxas de crescimento em variadas concentrações de glicose, glicerol e metanol.Concluiu-se que a condição que promove a maior areação em glicerol, com baixas concentrações de inoculo e metanol foram as ideais para a maior produção da proteína, chegando a 36% acima da média da produção. / Brazil is a favorable place for the implementation of an economy where its main energy and feedstock source originates from renewable sources. For this to be accomplished it needs to make better use of lignocellulosic materials that makes up most of plant matter and it is not used as food production. The industrial production of fuel that comes from this feedstock has been a challenge due to the complex structure of the lignocellulosic material. In this scenario, the accessory enzymes, such as expansins, have shown great potential for having synergism with cellulase enzymes used for the conversion of cellulose and hemicellulose into simple sugars. The goal of this dissertation in to study the production of the bacterial expansin protein BsEXLX1 using as host organism Komagataella pastoris in a benchtop bioreactor. Initially it was performed experiments with Pichia to study the behavior of the yeast in a closed bioreactor system, and it was monitored the effects of agitation, inoculum concentration and pH in the consumption of glucose, and production of biomass and ethanol. This study shows a connection between the higher acidic conditions and higher ethanol production. It also shows the connection between the amount of inoculum and the production of ethanol, which demonstrated to be directly proportional. From this data, two 25 complete factorial analysis were performed in Erlenmeyers with K. pastoris for the production of expansin protein BsEXLX1. The soluble proteins concentrations were measured alongside with yeast growth in various concentrations of glucose, glycerol and methanol. It was concluded that the condition with most aeration in glycerol, with low methanol and inoculum concentrations were the ideal for greater protein productions, reaching up to 36% higher production than the average.

Submitted by Pedro Barros (pedro.silvabarros@ufpe.br) on 2018-08-08T18:56:41Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO José Ribeiro da Silva Junior.pdf: 1476702 bytes, checksum: 574ecda317eef6451c57a50994807c72 (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-08-16T22:17:33Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO José Ribeiro da Silva Junior.pdf: 1476702 bytes, checksum: 574ecda317eef6451c57a50994807c72 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-16T22:17:33Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO José Ribeiro da Silva Junior.pdf: 1476702 bytes, checksum: 574ecda317eef6451c57a50994807c72 (MD5) Previous issue date: 2017-04-11 / CAPES / A busca da sociedade por fontes alternativas de energia faz com que cada vez mais as instituições de pesquisa busquem formas eficazes de atender a esta demanda crescente. Os biocombustíveis mostram-se como os principais atenuadores dos impactos causados pela queima dos combustíveis fósseis. Com alta capacidade de produção de cana-de-açúcar, o Brasil é hoje o principal produtor mundial de cana. O objetivo geral deste trabalho foi avaliar o potencial de produção de etanol de primeira e de segunda geração em dois ciclos de cultivo de variedades de cana-de-açúcar em Pernambuco. De forma específica objetivou-se avaliar o efeito da adubação nitrogenada sobre a produtividade e variáveis agroindustriais da cultura, caracterizar quimicamente a biomassa lignocelulósica em diferentes partes da planta, estimar o potencial de produção de etanol de primeira e segunda geração e verificar a eficiência de ensaios de deslignificação e hidrólise enzimática. Um experimento em campo foi conduzido na estação experimental do Instituto Agronômico de Pernambuco (IPA) em Itambé, PE, desde 2012, com delineamento experimental em blocos casualizados em arranjo fatorial, representados por cinco variedades de cana-de-açúcar (RB863129, RB92579, RB867515, RB931011 e RB962962) e três níveis de adubação nitrogenada (testemunha, 40 e 80 kg.ha⁻¹ de N na forma de ureia), com 4 blocos. As parcelas foram compostas por sete fileiras com 14 metros de comprimento e 1 m entre fileiras (98m²). Foram utilizados os dados referentes aos ciclos de 2014 e 2015 (1ª e 2ª socas). Na colheita, a biomassa das plantas foi separada em colmo, folhas e ponteiro e subamostras foram coletadas para caracterização química quanto aos componentes da parede celular. Foi medida a produtividade para cada uma das variedades e feitas análises tecnológicas (°brix, fibra, pol do caldo extraído e açúcar total recuperável). A produção de etanol de primeira geração, foi estimada em 7739 a 12312 L.ha-1 para as variedades RB962962 e RB867515, respectivamente. A variedade RB962962 apresentou melhores resultados (10446,99 L.ha⁻¹) de produtividade de etanol de segunda geração. Em função de seu desempenho na etapa anterior foram realizados ensaios de deslignificação do bagaço da variedade RB962962 com H₂O₂ alcalino, verificando-se perda de massa de 40,4% (±1,88; n=5), e após este processo de pré-tratamento uma redução de 23,6% nos teores de lignina detergente ácido (LDA) e incremento de 47,95% nos teores de celulose. Verificaram-se as maiores eficiências de hidrólise de 34,84% e 35,12% independentemente da carga enzimática (5 FPU.g-1) para as cargas de sólidos de 5 e 10 % (m/v), respectivamente. / Society’s search for alternative energy sources promotes research institutions to seek for effective ways to meet this growing demand. Biofuels are the main mitigators of the impacts caused by the burning of fossil fuels. With high production capacity of sugarcane, Brazil is now the world's leading producer of sugarcane. The general objective of this work was to evaluate the potential of first and second generation ethanol production in two crop cycles for sugarcane varieties in Pernambuco state. Specifically aimed to evaluate the effect of nitrogen fertilization (control, 40 and 80 kg.(hm²)⁻¹ of N) on the productivity and agroindustrial variables of the crop, to chemically characterize the lignocellulosic biomass in different parts of the plant, to estimate the potential production of the first and second generation ethanol and to verify the efficiency of the delignification and enzymatic hydrolysis tests studied. The field experiment was conducted at the experimental station of the Agronomic Institute of Pernambuco (IPA) in Itambé, PE, since 2012, with a randomized block design in a factorial arrangement, represented by five varieties of sugarcane (RB863129, RB92579, RB867515, RB931011 e RB962962) and three levels of nitrogen fertilization (control, 40 and 80 kg.(hm²)⁻¹ of N in the form of urea) with 4 blocks. The plots were composed of seven rows with 14 meters in length and 1 m between rows (98m²). It was using in this work the data referring to the cycles of the years 2014 and 2015 (2nd and 3rd crops). At harvest, the biomass of the plants was separated into stem, leaves (dried and greens) and subsamples were collected for chemical characterization of the components of the cell wall. The productivity for each one of the varieties in each fertilization was verified and was made the technological analysis of the sugarcane cultivars (°brix, fiber, sucrose in the extracted broth and total recovered sugar). From these data it was possible to estimate the production of first-generation ethanol, with values varying from 7738.70 to 12311.76 L.(hm²)⁻¹ for the varieties RB962962 and RB867515, respectively. The variety RB962962 presented better results (10446.99 L.(hm²)⁻¹ of second generation ethanol productivity. Due to its performance in the previous stage it was made the trials of delignification of bagasse of variety RB962962 with alkaline H₂O₂, where was observed weight loss of 40.4% (±1,88; n=5), and a reduction of 23.62% in acid detergent lignin (ADL) and a 47.95% increase in cellulose contents were observed after this pretreatment process. The highest hydrolysis efficiencies of 34.84% and 35.12%, independently of the enzymatic charge (5 FPU.g⁻¹), were found for solid loads of 5 and 10% (w/v), respectively.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Química e Biológica, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-05-12T17:31:19Z No. of bitstreams: 1 2017_PedroHenriqueFernandesSilva.pdf: 2269694 bytes, checksum: 5d996a917c19246d3b909b397afb4b5d (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-05-24T22:53:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_PedroHenriqueFernandesSilva.pdf: 2269694 bytes, checksum: 5d996a917c19246d3b909b397afb4b5d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-24T22:53:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_PedroHenriqueFernandesSilva.pdf: 2269694 bytes, checksum: 5d996a917c19246d3b909b397afb4b5d (MD5) Previous issue date: 2017-05-21 / A biomassa tem ganhado destaque como matéria-prima renovável para obtenção de produtos químicos e energia, frente a uma competitiva indústria baseada em fontes fósseis. No Brasil, a biomassa florestal é largamente cultivada, seja na construção civil e fabricação de móveis, ou na produção de energia e na produção do papel. O eucalipto é a biomassa florestal de maior relevância em termos de cultivo no Brasil (38,1 m³/ha/ano no ano de 2015) e no mundo. Nas últimas décadas, têm-se buscado a desconstrução da biomassa lignocelulósica, como a madeira, em seus polímeros constituintes, a celulose, a hemicelulose e a lignina, de forma que cada uma possa ser processada de forma a gerar produtos de maior valor agregado. Neste contexto temos o processo organosolv, que é um pré-tratamento da biomassa lignocelulósica com a mistura de solventes orgânicos e água em elevadas temperaturas. Além de fracionar a biomassa, é possível se obter a partir do processo organosolv, componentes com elevado grau de pureza e mais reativos para futuras aplicações. O presente trabalho teve como objetivo estudar o efeito da temperatura (avaliada entre 180 °C e 220 °C) e relação etanol/água (avaliada entre 30% e 70% v/v) no processo organosolv aplicados a amostras de Eucalyptus grandis, sendo observado quanto de cada um dos polímeros foi removido da amostra sólida inicial. Os experimentos foram realizados segundo um planejamento experimental fatorial 22 com ponto central, com triplicata em todos os pontos. Como resultado foi obtido que o melhor ponto foi na condição experimental E(50,200) (relativo a 50% etanol e 200 °C), com 80,36% de lignina extraída e 91,35% de rendimento da celulose. / Biomass has gained prominence as a renewable raw material for obtaining chemicals and energy, in front of a competitive industry based on fossil sources. In Brazil, forest biomass is widely cultivated, whether in the construction and manufacturing of furniture, or in energy production and paper production. Eucalyptus is the most important forest biomass in terms of cultivation in Brazil (38.1 m³ / ha / year in 2015) and in the world. In the last decades, we have sought to deconstruct lignocellulosic biomass, such as wood, in its constituent polymers, cellulose, hemicellulose and lignin, so that each can be processed in order to generate products with higher benefit. In this context, we have the organosolv process, which is a pretreatment of the lignocellulosic biomass with the mixture of organic solvents and water at high temperatures. In addition to fractionating biomass, it is possible to obtainm from the organosolv process, components with high purity and more reactive for future applications. The objective of this work was to study the effect of temperature (evaluated between 180 °C and 220 °C) and ethanol / water ratio (evaluated between 30% and 70% v/v) in the organosolv process applied to samples of Eucalyptus grandis, being observed how much of each of the polymers was removed from the initial solid sample. The experiments were performed according to a factorial 22 experimental design with center point, with triplicate at all points. As a result it was obtained that the best point was in the experimental condition E(50,200) (relative to 50% ethanol and 200 °C), with 80.36% lignin extracted and 91.35% cellulose yield.

A crescente demanda energética traz a necessidade de desenvolvimento de novos combustíveis renováveis, visando à menor emissão de partículas e poluentes ao meio ambiente e a substituição dos derivados de petróleo. Atualmente, pesquisas com a utilização de biomassa lignocelulósica vêm sendo desenvolvidas com o objetivo de tornar o processo de produção de etanol de segunda geração economicamente viável. O arundo (Arundo donax L.) é uma gramínea de crescimento rápido, alto rendimento de biomassa e pode ser cultivada em áreas marginais, que em função de características de cultivo, crescimento e produtividade apresenta potencial para produção de etanol de segunda geração. O presente trabalho teve como objetivo estabelecer as melhores condições de pré-tratamento, hidrólise e fermentação da biomassa de Arundo donax L. visando à produção de etanol. Três pré-tratamentos foram testados: pré-tratamento ácido, pré-tratamento ácido seguido de pré-tratamento alcalino e pré-tratamento alcalino. Foram avaliadas variáveis de cada pré-tratamento utilizando planejamento composto central rotacional através da metodologia de superfície de resposta Após a otimização das condições de pré-tratamento, foram avaliadas as variáveis carga enzimática e relação sólido:líquido nos rendimentos de glicose e xilose na hidrólise enzimática. Por fim, foram avaliadas condições de fermentação dos hidrolisados obtidos na hidrólise enzimática e fermentação e hidrólise simultâneas da biomassa pré-tratada. No pré-tratamento da biomassa as concentrações de glicose e xilose liberadas na hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada, apenas com ácido sulfúrico, variaram de 6,2 a 19,1 g L-1 e 1,8 a 3,1 g L-1, respectivamente. A adição de pré-tratamento alcalino possibilitou aumento significativo da concentração de açúcares liberados. O uso apenas de pré-tratamento alcalino resultou em concentrações de glicose e xilose que não diferiram estatisticamente dos obtidos com pré-tratamento em duas etapas. As concentrações de 5-hidroximetilfurfural e furfural não diferiram significativamente entre os pré-tratamentos testados. Na hidrólise enzimática apenas a relação sólido:líquido apresentou efeito significativo nas concentrações de glicose e xilose. Os rendimentos de etanol obtidos pelo processo de sacarificação e fermentação simultâneas foram superiores aos obtidos quando a hidrólise e fermentação foram conduzidas em etapas separadas. Os maiores rendimentos de etanol foram obtidos com carga de sólidos de 200 g L-1, e 25 FPU g-1 na etapa de pré-hidrólise. / The growing energy demand brings the need for development of new renewable fuels, aiming to reduceemission of particles and pollutants into the environment as well as substitution of petroleum products. Nowadays, researches using lignocellulosic biomass have been developed with the objective of making the production process of second generation ethanol economically viable. Arundo donax L., is a perennial grass presenting high biomass production and ability of growing in different environments, which due to the cultivation characteristics, growth and productivity presents potential as raw material for production of second generation ethanol. The present work envisages to establish the best pre-treatment hydrolysis and fermentation conditions for the biomass of Arundo donax L. aiming to ethanol production. Three pretreatments were tested: acid pretreatment, acid pretreatment followed by alkaline pretreatment and alkaline pretreatment. Variables of each pretreatment were evaluated using central rotational composite design through response surface methodology.After optimization of the pretreatment conditions, the influence of enzymatic loading and solid-to-liquid ratio variables in the glucose and xylose yields by the enzymatic hydrolysis were evaluated. Finally, the fermentation conditions of the hydrolysates obtained in the enzymatic hydrolysis and simultaneous fermentation and hydrolysis of the pretreated biomass were evaluated The amounts of glucose and xylose released by enzymatic hydrolysis of the Arundo biomass obtained from acid pretreatment ranged from 6.2 to 19.1 g/L and 1.8 to 3.1 g/L, respectively. The addition of an alkaline pretreatment led to a higher yield from the enzymatic hydrolysis with the average glucose concentration 3.5 times that obtained after biomass hydrolysis with an acid pretreatment exclusively. The use of an alkaline pretreatment alone resulted in glucose and xylose concentrations similar to those obtained in the two-step pretreatment: acid pretreatment followed by alkaline pretreatment. There was no significant difference in 5-hydroxymethylfurfural, furfural or acetic acid concentration among the pretreatments. In the enzymatic hydrolysis, only a solid-to- liquid ratio showed a significant effect on glucose and xylose concentrations. The ethanol yields obtained by the simultaneous hydrolysis and fermentation process are higher than those obtained when the hydrolysis and fermentation were conducted in separate steps. The highest ethanol yields were obtained with solids loading of 200 g L-1, and 25 FPU g-1 in the prehydrolysis step.

A crescente demanda energética traz a necessidade de desenvolvimento de novos combustíveis renováveis, visando à menor emissão de partículas e poluentes ao meio ambiente e a substituição dos derivados de petróleo. Atualmente, pesquisas com a utilização de biomassa lignocelulósica vêm sendo desenvolvidas com o objetivo de tornar o processo de produção de etanol de segunda geração economicamente viável. O arundo (Arundo donax L.) é uma gramínea de crescimento rápido, alto rendimento de biomassa e pode ser cultivada em áreas marginais, que em função de características de cultivo, crescimento e produtividade apresenta potencial para produção de etanol de segunda geração. O presente trabalho teve como objetivo estabelecer as melhores condições de pré-tratamento, hidrólise e fermentação da biomassa de Arundo donax L. visando à produção de etanol. Três pré-tratamentos foram testados: pré-tratamento ácido, pré-tratamento ácido seguido de pré-tratamento alcalino e pré-tratamento alcalino. Foram avaliadas variáveis de cada pré-tratamento utilizando planejamento composto central rotacional através da metodologia de superfície de resposta Após a otimização das condições de pré-tratamento, foram avaliadas as variáveis carga enzimática e relação sólido:líquido nos rendimentos de glicose e xilose na hidrólise enzimática. Por fim, foram avaliadas condições de fermentação dos hidrolisados obtidos na hidrólise enzimática e fermentação e hidrólise simultâneas da biomassa pré-tratada. No pré-tratamento da biomassa as concentrações de glicose e xilose liberadas na hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada, apenas com ácido sulfúrico, variaram de 6,2 a 19,1 g L-1 e 1,8 a 3,1 g L-1, respectivamente. A adição de pré-tratamento alcalino possibilitou aumento significativo da concentração de açúcares liberados. O uso apenas de pré-tratamento alcalino resultou em concentrações de glicose e xilose que não diferiram estatisticamente dos obtidos com pré-tratamento em duas etapas. As concentrações de 5-hidroximetilfurfural e furfural não diferiram significativamente entre os pré-tratamentos testados. Na hidrólise enzimática apenas a relação sólido:líquido apresentou efeito significativo nas concentrações de glicose e xilose. Os rendimentos de etanol obtidos pelo processo de sacarificação e fermentação simultâneas foram superiores aos obtidos quando a hidrólise e fermentação foram conduzidas em etapas separadas. Os maiores rendimentos de etanol foram obtidos com carga de sólidos de 200 g L-1, e 25 FPU g-1 na etapa de pré-hidrólise. / The growing energy demand brings the need for development of new renewable fuels, aiming to reduceemission of particles and pollutants into the environment as well as substitution of petroleum products. Nowadays, researches using lignocellulosic biomass have been developed with the objective of making the production process of second generation ethanol economically viable. Arundo donax L., is a perennial grass presenting high biomass production and ability of growing in different environments, which due to the cultivation characteristics, growth and productivity presents potential as raw material for production of second generation ethanol. The present work envisages to establish the best pre-treatment hydrolysis and fermentation conditions for the biomass of Arundo donax L. aiming to ethanol production. Three pretreatments were tested: acid pretreatment, acid pretreatment followed by alkaline pretreatment and alkaline pretreatment. Variables of each pretreatment were evaluated using central rotational composite design through response surface methodology.After optimization of the pretreatment conditions, the influence of enzymatic loading and solid-to-liquid ratio variables in the glucose and xylose yields by the enzymatic hydrolysis were evaluated. Finally, the fermentation conditions of the hydrolysates obtained in the enzymatic hydrolysis and simultaneous fermentation and hydrolysis of the pretreated biomass were evaluated The amounts of glucose and xylose released by enzymatic hydrolysis of the Arundo biomass obtained from acid pretreatment ranged from 6.2 to 19.1 g/L and 1.8 to 3.1 g/L, respectively. The addition of an alkaline pretreatment led to a higher yield from the enzymatic hydrolysis with the average glucose concentration 3.5 times that obtained after biomass hydrolysis with an acid pretreatment exclusively. The use of an alkaline pretreatment alone resulted in glucose and xylose concentrations similar to those obtained in the two-step pretreatment: acid pretreatment followed by alkaline pretreatment. There was no significant difference in 5-hydroxymethylfurfural, furfural or acetic acid concentration among the pretreatments. In the enzymatic hydrolysis, only a solid-to- liquid ratio showed a significant effect on glucose and xylose concentrations. The ethanol yields obtained by the simultaneous hydrolysis and fermentation process are higher than those obtained when the hydrolysis and fermentation were conducted in separate steps. The highest ethanol yields were obtained with solids loading of 200 g L-1, and 25 FPU g-1 in the prehydrolysis step.

Made available in DSpace on 2015-09-17T15:24:59Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-01-27. Added 1 bitstream(s) on 2015-09-17T15:46:52Z : No. of bitstreams: 1 000844615.pdf: 4665311 bytes, checksum: 68b6a3b7fcdf583d21b089fc4c4dd247 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / A hidrólise do material lignocelulósico por processos não térmicos como o ultrassom de potência, oferece uma alternativa não poluente e uma oportunidade de aumentar a produção de açúcares redutores e totais na etapa de pré-tratamento, para posterior aplicação de agentes biológicos ou químicos. No entanto, as principais desvantagens desse processo são os poucos estudos documentados na literatura sobre sua aplicação na indústria de etanol e a dificuldade de estudar seu mecanismo de ação no material. Assim, o objetivo principal deste trabalho foi estudar a aplicação do ultrassom de potência no pré-tratamento do material lignocelulósico de resíduos da bananeira (pedúnculo). Primeiramente, a composição química do pedúnculo seco foi determinada através dos métodos oficiais. Análises experimentais foram realizadas para determinar o calor específico (c p, kJ/kg oC) e a densidade (ρ, kg/m3) de soluções aquosas acidificadas de pedúnculo em pó, através de calorimetria diferencial analítica (DSC) e picnometria, respectivamente. Modelos de primeira ordem em função do pH, temperatura e concentração de biomassa foram obtidos para o calor específico e a densidade, através do método stepwise regression. Uma vez obtidos os modelos para c p e ρ, foi possível calcular os campos acústicos nas soluções aquosas de pedúnculo em pó empregando o método calorimétrico, encontrando-se uma relação inversamente proporcional entre a potência acústica e intensidade acústica transmitida ao sistema com a concentração de biomassa. Além disso, foi realizado um planejamento experimental para determinar o efeito dos fatores: concentração de biomassa (x, g/mL), potência nominal de ultrassom (U, W), pH e tempo (t, min) sobre as respostas: produção de açúcares totais (S T, mg/g) e açúcares redutores (S R, mg/g). Para isto, foi usado um processador ultrassônico que o opera a uma frequência de 24 kHz e... / The hydrolysis of lignocellulosic material by non-thermal process as the high-intensity ultrasound provides a non-polluting method and the opportunity to increase the production of total and reducing sugars in the pretreatment process, for further use by biological or chemical agents. However, the major disadvantages of these methodologies are the little documentation about the application in the ethanol industry and the difficulty to study the action mechanism in the material. Thus, the aim of this work was to study of power ultrasound effects on the pretreatment of lignocellulosic material of banana waste (flower stalk). First, a chemical composition of dried flower stalk was determined by official methods. Experimental analyses were realized to determine the specific heat capacity (c p, kJ/kg oC) and the density (ρ, kg/m3) of the acidified aqueous solutions of flower-stalk powder, by differential scanning calorimetric (DSC) and pycnometry methods, respectively. First order models as a function of pH, temperature and biomass concentration were obtained for the properties specific heat capacity and density, using the stepwise regression method. Once obtained the models for the c p and ρ, a determination of the acoustic fields in the aqueous solutions of flower-stalk powder by the calorimetric method was carried out, being found an indirect relationship between the power transferred and acoustic intensities in the system with the biomass concentration. Moreover, an experimental design was carried out to determine the effects of the factors: biomass concentration (x, g/mL) nominal power ultrasound (U, W), pH and time (t, min) under the responses: total sugars yield (S T, mg/g) and reducing sugars yield (S R, mg/g). For this, an ultrasonic processor with frequency of 24 kHz and nominal power of 1500 W was employed. Experimental results showed that the factors biomass concentration and nominal ...

A crescente demanda energética traz a necessidade de desenvolvimento de novos combustíveis renováveis, visando à menor emissão de partículas e poluentes ao meio ambiente e a substituição dos derivados de petróleo. Atualmente, pesquisas com a utilização de biomassa lignocelulósica vêm sendo desenvolvidas com o objetivo de tornar o processo de produção de etanol de segunda geração economicamente viável. O arundo (Arundo donax L.) é uma gramínea de crescimento rápido, alto rendimento de biomassa e pode ser cultivada em áreas marginais, que em função de características de cultivo, crescimento e produtividade apresenta potencial para produção de etanol de segunda geração. O presente trabalho teve como objetivo estabelecer as melhores condições de pré-tratamento, hidrólise e fermentação da biomassa de Arundo donax L. visando à produção de etanol. Três pré-tratamentos foram testados: pré-tratamento ácido, pré-tratamento ácido seguido de pré-tratamento alcalino e pré-tratamento alcalino. Foram avaliadas variáveis de cada pré-tratamento utilizando planejamento composto central rotacional através da metodologia de superfície de resposta Após a otimização das condições de pré-tratamento, foram avaliadas as variáveis carga enzimática e relação sólido:líquido nos rendimentos de glicose e xilose na hidrólise enzimática. Por fim, foram avaliadas condições de fermentação dos hidrolisados obtidos na hidrólise enzimática e fermentação e hidrólise simultâneas da biomassa pré-tratada. No pré-tratamento da biomassa as concentrações de glicose e xilose liberadas na hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada, apenas com ácido sulfúrico, variaram de 6,2 a 19,1 g L-1 e 1,8 a 3,1 g L-1, respectivamente. A adição de pré-tratamento alcalino possibilitou aumento significativo da concentração de açúcares liberados. O uso apenas de pré-tratamento alcalino resultou em concentrações de glicose e xilose que não diferiram estatisticamente dos obtidos com pré-tratamento em duas etapas. As concentrações de 5-hidroximetilfurfural e furfural não diferiram significativamente entre os pré-tratamentos testados. Na hidrólise enzimática apenas a relação sólido:líquido apresentou efeito significativo nas concentrações de glicose e xilose. Os rendimentos de etanol obtidos pelo processo de sacarificação e fermentação simultâneas foram superiores aos obtidos quando a hidrólise e fermentação foram conduzidas em etapas separadas. Os maiores rendimentos de etanol foram obtidos com carga de sólidos de 200 g L-1, e 25 FPU g-1 na etapa de pré-hidrólise. / The growing energy demand brings the need for development of new renewable fuels, aiming to reduceemission of particles and pollutants into the environment as well as substitution of petroleum products. Nowadays, researches using lignocellulosic biomass have been developed with the objective of making the production process of second generation ethanol economically viable. Arundo donax L., is a perennial grass presenting high biomass production and ability of growing in different environments, which due to the cultivation characteristics, growth and productivity presents potential as raw material for production of second generation ethanol. The present work envisages to establish the best pre-treatment hydrolysis and fermentation conditions for the biomass of Arundo donax L. aiming to ethanol production. Three pretreatments were tested: acid pretreatment, acid pretreatment followed by alkaline pretreatment and alkaline pretreatment. Variables of each pretreatment were evaluated using central rotational composite design through response surface methodology.After optimization of the pretreatment conditions, the influence of enzymatic loading and solid-to-liquid ratio variables in the glucose and xylose yields by the enzymatic hydrolysis were evaluated. Finally, the fermentation conditions of the hydrolysates obtained in the enzymatic hydrolysis and simultaneous fermentation and hydrolysis of the pretreated biomass were evaluated The amounts of glucose and xylose released by enzymatic hydrolysis of the Arundo biomass obtained from acid pretreatment ranged from 6.2 to 19.1 g/L and 1.8 to 3.1 g/L, respectively. The addition of an alkaline pretreatment led to a higher yield from the enzymatic hydrolysis with the average glucose concentration 3.5 times that obtained after biomass hydrolysis with an acid pretreatment exclusively. The use of an alkaline pretreatment alone resulted in glucose and xylose concentrations similar to those obtained in the two-step pretreatment: acid pretreatment followed by alkaline pretreatment. There was no significant difference in 5-hydroxymethylfurfural, furfural or acetic acid concentration among the pretreatments. In the enzymatic hydrolysis, only a solid-to- liquid ratio showed a significant effect on glucose and xylose concentrations. The ethanol yields obtained by the simultaneous hydrolysis and fermentation process are higher than those obtained when the hydrolysis and fermentation were conducted in separate steps. The highest ethanol yields were obtained with solids loading of 200 g L-1, and 25 FPU g-1 in the prehydrolysis step.

Submitted by Gabriela Lopes (gmachadolopesufpel@gmail.com) on 2018-06-08T17:15:39Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertação Lucas Silva Lemoes .pdf: 1520890 bytes, checksum: bdbd992ce979bac19674ee1709c6c53e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-08T17:15:39Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertação Lucas Silva Lemoes .pdf: 1520890 bytes, checksum: bdbd992ce979bac19674ee1709c6c53e (MD5) Previous issue date: 2018-02-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / A cana-de-açúcar é uma espécie que possui elevado potencial de produção de matéria seca e energia por unidade de área, em um único corte, apresentando múltiplas formas de utilização, como geração de energia na forma etanol e produção de alimento para animais. O objetivo do presente trabalho foi avaliar e caracterizar genótipos de cana-de-açúcar visando à utilização na alimentação animal e produção de etanol. Foram avaliados 25 genótipos de cana-de-açúcar no campo experimental da Embrapa Clima Temperado. Para produção de silagem, foram utilizados seis genótipos e dois inoculantes comerciais. As variáveis avaliadas para produtividade de biomassa dos genótipos foram: tonelada de massa fresca por hectare (TMFH), tonelada de massa seca por hectare (TMSH), tonelada de sólidos solúveis totais por hectare (TSSTH) e toneladas de colmos por hectare (TCH). Para determinação da composição químico-bromatológica foram avaliados: matéria seca (MS), proteína bruta (PB), fibra em detergente neutro (FDN), fibra em detergente ácido (FDA), celulose (CEL), hemicelulose (HEM), lignina (LIG), teor de sólidos solúveis totais (SST) e cinzas (CZ). Além destas variáveis utilizou-se a digestibilidade in vitro da matéria seca (DIVMS), perdas de matéria seca (PMS) e potencial hidrogeniônico (pH), para complementar as avaliações da silagem. Foi estimado o rendimento teórico de etanol de primeira geração (1G) com base em SST, enquanto que o etanol de 2ª geração (2G) foi calculado com base nos teores de celulose (ECEL) e hemicelulose (EHEMI), ambos ponderados pelo rendimento de colmos (TCH) e de biomassa (TMSH), respectivamente. O rendimento final de etanol por hectare foi dado pela soma de 1G e 2G. De acordo com os critérios de avaliação, destacaram-se para alimentação animal os genótipos RB106814, RB106818 e RB106819. Para o estudo da silagem, de modo geral os inoculantes utilizados não proporcionaram ganhos expressivos em qualidade. Para etanol de segunda geração os genótipos que apresentaram os melhores rendimentos teóricos foram RB106819, RB106818, PRBIO353, PRBIO537 e PRBIO435. Os genótipos RB106819 e RB106818 possuem elevado rendimento, com aptidão para a alimentação animal e para produção de etanol de segunda geração. / Sugarcane is a species that has a high potential of dry matter and energy production per area unit in a single cut, presenting multiple uses, such as ethanol generation and feed production. The objective of this work was to evaluate and characterize sugarcane genotypes for use in animal feed and ethanol production. Twenty-five sugarcane genotypes were evaluated in the experimental field of Embrapa Clima Temperado. For silage production six genotypes and two commercial inoculants were used. The variables evaluated for biomass productivity of the genotypes were: tons of fresh mass per hectare (TMFH), tons of dry mass per hectare (TMSH), tons of total soluble solids per hectare (TSSTH) and tons of stalks per hectare (TCH). To determine chemical-bromatological composition the following analysis were performed: dry matter (MS), crude protein (PB), neutral detergent fiber (FDN), acid detergent fiber (FDA), cellulose (CEL), hemicellulose (HEM), lignin (LIG), total soluble solids content (SST) and ash (CZ). In addition to these variables, in vitro digestibility of dry matter (DIVMS), dry matter losses (PMS) and potential of hydrogen (pH) were used to complement the silage evaluation. The theoretical yield of first generation ethanol (1G) was estimated based on SST, while second generation ethanol (2G) was calculated on the basis of cellulose (ECEL) and hemicellulose (EHEMI) contents, both weighted by stalk yield (TCH) and biomass (TMSH), respectively. The final yield of ethanol per hectare was given by the sum of 1G and 2G. According to the evaluation criteria, the genotypes RB106814, RB106818 and RB106819 stood out for animal feeding. In general the inoculants used for the study of silage did not present expressive gains in quality. For second generation ethanol the genotypes that presented the best theoretical yields were RB106819, RB106818, PRBIO353, PRBIO537 and PRBIO435. Genotypes RB106819 and RB106818 have high yields, suitable for animal feed and production of second generation ethanol as well.

Orientador: Lúcia Maria Carareto Alves / Resumo: A produção de etanol de segunda geração (2G) obtido a partir de material lignocelulósico para ser eficiente e economicamente viável necessita encontrar melhores opções no processo de transformar celulose e hemicelulose em hexoses e pentoses para que possam ser fermentadas. Com isto, o objetivo deste trabalho foi estudar organismos que compõem o consórcio bacteriano, com capacidade de desconstruir a biomassa lignocelulósica liberando açúcares. O cultivo foi realizado em meio BHB (Bushnell Haas Broth) com bagaço de cana-de-açúcar por 5 e 10 dias para 2a e 20a semana de cultivo. Foram realizadas análises de microscopia eletrônica de varredura avaliando aderência das bactérias à fibra. Além de avaliar composição das frações fibrosas residuais do cultivo e determinar açúcares, essas análises mostraram que com 5 dias para 2a semana houve maior degradação da lignocelulose e liberação de açúcares. As populações bacterianas presentes no consórcio foram estudadas pelo sequenciamento parcial do gene de 16S rRNA, mostrando que existem gêneros com capacidade de degradar a biomassa, como Caulobacter, Pseudoxanthomonas, Chryseobacterium, Sphingomonas, Rhizobium e Dokdonella. Através dos estudos realizados, se pode visualizar que o consórcio conseguiu degradar a biomassa e liberar glicose no meio de cultivo, constituindo assim, uma ferramenta que poderá ser aplicada em processos de obtenção de etanol de segunda geração / Abstract: The production of second generation (2G) ethanol obtained from lignocellulosic material to be efficient and economically viable needs to find better options in the process of turning cellulose and hemicellulose into hexoses and pentoses so that they can be fermented. Thus, the objective of this work was to study organisms that make up the bacterial consortium, with the ability to deconstruct lignocellulosic biomass releasing sugars. Cultivation was carried out in BHB (Bushnell Haas Broth) medium with sugarcane bagasse for 5 and 10 days for the 2nd and 20th week of cultivation. Scanning electron microscopy analyzes were performed to evaluate bacteria adherence to the fiber. In addition to evaluating the composition of the residual fibrous fractions of the crop and determining sugars, these analyzes showed that with 5 days to the 2nd week there was greater lignocellulose degradation and sugar release. The bacterial populations present in the consortium were studied by partial sequencing of the 16S rRNA gene, showing that there are genera with the ability to degrade biomass, such as Caulobacter, Pseudoxanthomonas, Chryseobacterium, Sphingomonas, Rhizobium and Dokdonella. Through the studies, it can be seen that the consortium managed to degrade the biomass and release glucose in the culture medium, thus constituting a tool that can be applied in processes of obtaining second generation ethanol. / Mestre

Nessa pesquisa foram testados separadamente dois inóculos solo/compostagem e lodo termofílico de reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente (UASB) do tratamento de vinhaça em relação ao potencial de produção de compostos de valor agregado a partir do bagaço de cana-de-açúcar (BCA) em reatores em batelada em condição mesofílica e termofílica, respectivamente. Pré-tratamentos térmico, ácido e diluição seriada foram aplicados ao inóculo termofílico, como tentativa de inibir as arqueias metanogênicas. A diluição seriada foi o pré-tratamento aplicado em ambos os inóculos, mesofílico e termofílico, para obtenção de consórcio de bactérias fermentadoras. Cinco meios de culturas foram testados como fonte de nutrientes para o crescimento de bactérias celulolíticas e fermentadoras. Dentre esses foi selecionado para os ensaios mesofílicos e termofílicos, o meio de cultura mais complexo suplementado com extrato de levedura. O BCA foi submetido à pré-tratamento biológico, térmico, explosão a vapor, deslignificação alcalina e hidrotérmico sendo o último utilizado nos ensaios do planejamento fatorial. O efeito das variáveis independentes de concentração de extrato de levedura e temperatura foi avaliado na produção de hidrogênio, metano e ácidos orgânicos a partir do inóculo termofílico. O efeito da concentração de extrato de levedura e substrato (BCA) foi avaliado na produção de bioprodutos a partir do inóculo mesofílico (37ºC). A maior produção de hidrogênio foi de 17,30 mmol/L à 60ºC e 3,42 g/L de extrato de levedura para a condição termofílica. Em relação aos ensaios mesofílicos observou-se 1,53 mmol/L com 3,42 e 5,00 g/L de extrato de levedura e BCA, respectivamente. Caracterização taxonômica e funcional dos microrganismos dos reatores de melhor desempenho de produção de hidrogênio dos planejamentos fatoriais termofílico e mesofílico foi realizada por análise Metagenômica (Illumina HiSeq). Nestas condições foram identificados microrganismos dos domínios Archaea, Bacteria, Eukarya, além de vírus. Para o domínio Bacteria foram identificados microrganismos celulolíticos e fermentadores como Coprothermobacter e Clostridium, enquanto para o domínio Archaea, foram identificadas metanogênicas hidrogenotróficas e acetoclásticas, como Methanothermobacter e Methanosarcina. Foram ainda identificados genes codificantes de enzimas catalisadoras da degradação de celulose, hemicelulose e lignina, constituintes principais da biomassa lignocelulósica utilizada como substrato, tais como celulase, carboxylesterase e 2-ácido hidroxi oxidase, respectivamente. Microrganismos aderidos no BCA in natura foram observados por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e identificados por sequenciamento do RNAr 16S, e semelhantes a Streptomyces, Paenibacillus, Stenotrophomonas, Sphingomonas. Os microrganismos do lodo termofílico, solo e compostagem foram caracterizados por sequenciamento do RNAr 16S, e foram semelhantes a Clostridium, Thermoanaerobacter, Caloramator, Anaerobaculum, Tatlockia, Coprothermobacter, Dysgonomonas, Coprococcus, Sporomusa, Methanobacterium, Methanothermobacter, Methanosaeta, dentre outros. / In the present study, two inoculum (soil/compost and thermophilic sludge from upflow anaerobic sludge blanket from vinasse treatment) were separately evaluated as potential to production of value-added products from sugarcane bagasse in mesophilic and thermophilic conditions, respectively. Thermal, acid and serial dilution pretreatments were performed in the thermophilic inoculum to inhibition of methanogenic archaea. Serial dilution was applied into the mesophilic inoculm. Five culture medium were evaluated as nutritional source to enrichment of cellulolytic and fermenters bacteria; between then, the most complex one, supplemented with yeast extract was selected for the mesophilic and thermophilic bioassays. The sugarcane bagasse (SCB) was submitted to biological, thermal, stem explosion alkaline delignification and hydrothermal pretreatments, and the last one was used as substrate for the factorial designs. The effect of independent variables, such as yeast extract and temperature were evaluated on the hydrogen, methane and organic acids production from the thermophilic inoculum. The effect of yeast extract and substrate (SCB) concentrations were evaluated on the bioproducts generation from the mesophilic inoculum. The highest hydrogen production of 17.3 mmol/L was obtained at 60ºC and 3.42 g/L of yeast extract, on the thermophilic factorial design. In relation to the mesophilic factorial design, obtained 1.53 mmol/L of hydrogen with 3.42 and 5.00 g/L of yeast extract and SCB, respectively. Taxonomical and functional characterizations from the microorganisms were performed in the reactors with highest hydrogen production on the factorial designs using Metagenomics analysis (Illumina HiSeq). In both condition, mesophilic and thermophilic were found microorganisms from Archaea, Bacteria, Eukarya domin, besides Viruses. Concerning the Bacteria domain were found cellulolytic and fermenters microorganisms similar to Coprothermobacter and Clostridium, whiles for Archaea domain were identified hydrogenotrophic and acetoclastic methanogenic similar to Methanothermobacter and Methanosarcina. There were obtained genes coding to enzymes related to the cellulose, hemicellulose and lignin degradation such as carboxylesterase e 2-acid-hydroxioxidase, respectively. Microorganisms adhered into the in natura SCB fiber were observed by scanning electronic microscopy (SEM) and identified by 16 S rRNA sequencing, mainly as similar to Streptomyces, Paenibacillus, Stenotrophomonas, Sphingomonas. The microorganisms from the thermophilic sludge, soil and composting were also characterized by 16S RNAr sequencing and were similar to Clostridium, Thermoanaerobacter, Caloramator, Anaerobaculum, Tatlockia, Coprothermobacter, Dysgonomonas, Coprococcus, Sporomusa, Methanobacterium, Methanothermobacter, Methanosaeta, among others.