Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Departamento de Biologia Celular, Programa de Pós-Graduação em Biologia Molecular, 2018. / A indústria sucroalcooleira do Brasil está desenvolvendo métodos para tornar os custos de produção e comercialização do etanol de segunda geração viáveis. A recalcitrância da fibra celulósica não permite sua conversão em açúcares de forma eficiente sem uma etapa adicional de pré-tratamento da biomassa. Tratamentos hidrotérmicos possibilitam a solubilização da hemicelulose e consequente recuperação de açúcares fermentescíveis com baixo impacto ambiental. Neste estudo, foi aplicado o tratamento hidrotérmico de bagaço de cana-de-açúcar visando a produção de enzimas holocelulolítcas pelo fungo Aspergillus niger. O foco do trabalho foi otimizar a atividade de xilanases, analisando os efeitos dos parâmetros de pré-tratamento utilizados e alguns fatores que podem influenciar na eficiência da reação enzimática. Adicionalmente, propõe possíveis metodologias para a purificação das xilanases obtidas e analisa as diferenças encontradas entre as xilanases obtidas utilizando bagaço in natura (BNT) ou pré-tratado (Tr10 e Tr16). As atividades de celulase e hemicelulase variaram em função dos parâmetros do pré-tratamento e foi possível obter um aumento de até 470 % na atividade de xilanase quando comparada ao bagaço-não tratado, além de aumentos nas atividades de pectinase, mananase, CMCase, FPAse e avicelase. As xilanases obtidas apresentaram atividade num amplo gradiente de temperatura (35-70 ºC) e pH (3 – 9,0), termoestabilidade a 40 ºC, e estabilidade na presença de diversos íons e fenóis durante a reação enzimática. Após 4 etapas de separação de moléculas foi possível obter duas amostras semi-puras de xilanases, cada uma com 2 isoformas da enzima. Foram identificadas 42 proteínas no extrato bruto de BNT e 99 em Tr16; apenas 23 das proteínas identificadas estavam presentes em ambas as amostras. Em Tr16 foi obtida uma variedade de celulases 2,3 vezes maior do que em BNT, ressaltando o potencial do tratamento hidrotérmico como ferramenta para modular a produção de enzimas holocelulolíticas pelo fungo. / The sugar and alcohol industry of Brazil is developing methods to make viable costs for producing and commercializing second generation ethanol. The cellulosic fiber recalcitrance does not allow for an efficient conversion of sugars without adding a step for pretreatment of the biomass. Hydrothermal pretreatment can solubilize hemicellulose and recover fermentable sugars with low environmental impact. In this study, hydrothermal pretreatment of sugarcane bagasse was used for the production of holocellulolitic enzymes by Aspergillus niger. The focus of this work was optimizing the activity of xylanases, analyzing the effects of pretreatment parameters and other factors that could influence the efficiency of enzymatic reaction. Furthermore, it proposes methodologies for purifying the obtained xylanases and analyzes the differences found when using raw (BNT) and pretreated sugarcane bagasse (Tr10 and Tr16). Cellulase and hemicellulase activities were found to vary according to the parameters used for pretreatment and an increase of 470 % on xylanase activity was obtained when compared to raw SCB. Pectinase, mananase, CMCase, FPAse and avicelase activities were also increased. The xylanases presented activities in a wide range of temperature (35-70 ºC) and pH (3,0-9,0), thermoestability at 40 ºC, and stability in the presence of several ionic and phenolic compounds during enzymatic reactions. It was possible to recover two semi-pure samples of xylanase after 4 steps for the separation of molecules, and there were 2 isoforms of the enzyme in each sample. In BNT crude extract, 42 proteins were identified, while in Tr16 there were 99 proteins; only 23 of the identified proteins were found in both samples. In Tr16 it was obtained a variety of cellulases 2,3 times larger than BNT, thus highlighting the potential of this hydrothermal pretreatment for modulating holocellulolitc enzyme production by fungi.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Departamento de Biologia Celular, Instituto de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Biologia Molecular, 2018. / Submitted by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-07-04T20:38:18Z No. of bitstreams: 1 2018_CaiodeOliveiraGorgulhoSilva.pdf: 18401329 bytes, checksum: a01cc2900007973ba7a6ad8f8130ca03 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-07-09T17:38:43Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2018_CaiodeOliveiraGorgulhoSilva.pdf: 18401329 bytes, checksum: a01cc2900007973ba7a6ad8f8130ca03 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-09T17:38:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2018_CaiodeOliveiraGorgulhoSilva.pdf: 18401329 bytes, checksum: a01cc2900007973ba7a6ad8f8130ca03 (MD5) Previous issue date: 2018-07-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e Fundação de Apoio à Pesquisa do Distrito Federal (FAPDF). / Este trabalho teve como objetivo investigar a utilização das frações líquida (licor) e sólida obtidas a partir de tratamento hidrotérmico do bagaço de cana-de-açúcar (BCA) como fontes de carbono para a produção de holocelulases pelo fungo Aspergillus niger DCFS11. Numa primeira etapa, as condições do tratamento hidrotérmico foram investigadas por meio de análise fatorial visando a utilização dos licores resultantes como substratos para indução de hemicelulases. O tratamento de baixa severidade e utilizando baixa concentração de sólidos (170°C, 30 min, 1 % m/m BCA) foi selecionado como condição ótima devido à alta e rápida indução de xilanases pelo licor resultante. Uma variedade de mono e oligossacarídeos responsáveis pela indução de hemicelulases foi identificada nos licores por métodos analíticos (cromatografia líquida e espectrometria de massas). Numa segunda etapa, secretomas de A. niger cultivado na presença de bagaço in natura (BNT), bagaço tratado (BPT), licor (LIC) e bagaço tratado + licor (BPT+LIC) foram comparados por análise bioquímica e proteômica quantitativa. Os secretomas produzidos nas condições BPT, LIC e BPT+LIC mostraram-se superiores em termos de atividades de holocelulases, termoestabilidade e eficiência na sacarificação enzimática de BCA, além de apresentarem maior abundância de dezenas de celulases, hemicelulases e pectinases em relação ao secretoma produzido na condição BNT. Este trabalho demonstrou o potencial do tratamento hidrotérmico do BCA como ferramenta para aumentar a produção de holocelulases por A. niger, uma vez que gerou substratos menos recalcitrantes para crescimento microbiano na forma de carboidratos solúveis (licor) ou polissacarídeos mais acessíveis nos sólidos tratados. / The goal of this work was to investigate the use of the liquid (liquor) and solid fractions arising from hydrothermal pretreatment of sugarcane bagasse (SCB) as a carbon source for the production of holocellulases by Aspergillus niger. Initially, hydrothermal pretreatment parameters were investigated by factorial design aiming the use of preteatment liquors as a substrate for hemicellulase induction. Pretreatment of low severity and low SCB loading (170 °C, 30 min, 1 % w/w SCB) was selected as the optimum condition due to the high and fast xylanase induction promoted by the resulting liquor. Several mono and oligosaccharides responsible for hemicellulase induction were identified in liquors by analytical methods (liquid chromatography and mass spectrometry). Thereafter, secretomes of A. niger cultivated in the presence of untreated SCB (BNT), pretreated bagasse (BPT), liquor (LIC) and pretreated bagasse + liquor (BPT+LIC) were compared by biochemical and quantitative proteomic analyses. Secretomes produced under conditions BPT, LIC and BPT+LIC were superior to BNT in terms of holocellulase activities, thermostability, efficiency in enzymatic saccharification of SCB. They also provided a greater abundance of dozens of cellulases, hemicellulases and pectinases in comparison to the secretome produced in the presence of BNT. This work demonstrated the potential of hydrothermal treatment of SCB as a tool to increase the production of holocellulases by A. niger, since it generated less recalcitrant substrates for microbial growth in the form of soluble carbohydrates (liquor) or more accessible polysaccharides in pretreated solids.

Neste trabalho, estudou-se a pirólise da palha de cana-de-açúcar, um resíduo orgânico de considerável impacto ambiental. A biomassa foi submetida a um processo de pirólise rápida, a uma taxa de aquecimento que promova a maior formação de produtos voláteis e semi-voláteis. Usou-se um forno elétrico tubular e um reator de quartzo de leito fixo. Foram definidas as principais variáveis do processo de pirólise e seus respectivos valores (5 g de palha de cana-de-açúcar em granulometria fina, temperatura de pirólise de 700 ºC, taxa de aquecimento de 60 ºC min-1 e fluxo de nitrogênio de 1 mLmin-1) foram obtidos e analisados o produto sólido, líquido e gasoso. O resíduo sólido mostrou-se rico em matéria mineral, predominando a sílica, confirmando a queima total do material carbonoso. A composição química do bio-óleo e dos voláteis foi determinada usando cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (mono e bidimensional) e microextração em fase sólida. O bio-óleo e material volátil apresentaram composições químicas semelhantes com predominância de compostos oxigenados (fenóis, cetonas, aldeídos, éteres, açúcares e ácidos carboxílicos) e alguns hidrocarbonetos. A biomassa mostrou-se interessante tanto para fins energéticos como para a indústria química e de fármacos, pela presença marcante de fenóis, especialmente guaiacóis. / In this work it was studied the pyrolysis of sugar cane straw, an organic waste with considerable environmental impact. The biomass was subjected to a fast pyrolysis, at a relativelly high heating rate, sufficient to promote a formation of volatile and semi-volatile compounds. It was used a electrical vertical oven and a quartz fixed bed reactor. The main variables and their values were defined as 5 g of sugar cane straw ground, maximum pyrolysis temperature at 700 ºC, heating rate at 60 ºC min-1 and a nitrogen flow of 1 mL min-1. It was obtained three main products of the pyrolysis: solid, liquid and gases. The solid residue showed to be rich in mineral material, mainly silica, which confirms the total burning of the carbonous material. The composition of bio-oil and volatile fraction were determined by gas chromatography coupled to mass spectrometric detector (mono and bi dimensional) and solid phase microextraction. The bio-oil and the volatile fraction showed similar composition with predominance of oxigenated compounds (phenols, ketones, aldehydes, ethers, carboxylic acids, sugars) and some hydrocarbons. The studied biomass showed to be intersting for energetic purposes and also for chemical and pharmaceutical industry, due to the presence of phenols and, specially, guaiacols.

Neste trabalho, estudou-se a pirólise da palha de cana-de-açúcar, um resíduo orgânico de considerável impacto ambiental. A biomassa foi submetida a um processo de pirólise rápida, a uma taxa de aquecimento que promova a maior formação de produtos voláteis e semi-voláteis. Usou-se um forno elétrico tubular e um reator de quartzo de leito fixo. Foram definidas as principais variáveis do processo de pirólise e seus respectivos valores (5 g de palha de cana-de-açúcar em granulometria fina, temperatura de pirólise de 700 ºC, taxa de aquecimento de 60 ºC min-1 e fluxo de nitrogênio de 1 mLmin-1) foram obtidos e analisados o produto sólido, líquido e gasoso. O resíduo sólido mostrou-se rico em matéria mineral, predominando a sílica, confirmando a queima total do material carbonoso. A composição química do bio-óleo e dos voláteis foi determinada usando cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (mono e bidimensional) e microextração em fase sólida. O bio-óleo e material volátil apresentaram composições químicas semelhantes com predominância de compostos oxigenados (fenóis, cetonas, aldeídos, éteres, açúcares e ácidos carboxílicos) e alguns hidrocarbonetos. A biomassa mostrou-se interessante tanto para fins energéticos como para a indústria química e de fármacos, pela presença marcante de fenóis, especialmente guaiacóis. / In this work it was studied the pyrolysis of sugar cane straw, an organic waste with considerable environmental impact. The biomass was subjected to a fast pyrolysis, at a relativelly high heating rate, sufficient to promote a formation of volatile and semi-volatile compounds. It was used a electrical vertical oven and a quartz fixed bed reactor. The main variables and their values were defined as 5 g of sugar cane straw ground, maximum pyrolysis temperature at 700 ºC, heating rate at 60 ºC min-1 and a nitrogen flow of 1 mL min-1. It was obtained three main products of the pyrolysis: solid, liquid and gases. The solid residue showed to be rich in mineral material, mainly silica, which confirms the total burning of the carbonous material. The composition of bio-oil and volatile fraction were determined by gas chromatography coupled to mass spectrometric detector (mono and bi dimensional) and solid phase microextraction. The bio-oil and the volatile fraction showed similar composition with predominance of oxigenated compounds (phenols, ketones, aldehydes, ethers, carboxylic acids, sugars) and some hydrocarbons. The studied biomass showed to be intersting for energetic purposes and also for chemical and pharmaceutical industry, due to the presence of phenols and, specially, guaiacols.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Química e Biológica, 2018. / Submitted by Fabiana Santos (fabianacamargo@bce.unb.br) on 2018-08-20T18:11:41Z No. of bitstreams: 1 2018_FelipeBrandãodePaivaCarvalho.pdf: 3951130 bytes, checksum: c2c9ce0c780bd41c89dc7305eaad9fcd (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-08-21T18:19:07Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2018_FelipeBrandãodePaivaCarvalho.pdf: 3951130 bytes, checksum: c2c9ce0c780bd41c89dc7305eaad9fcd (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-21T18:19:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2018_FelipeBrandãodePaivaCarvalho.pdf: 3951130 bytes, checksum: c2c9ce0c780bd41c89dc7305eaad9fcd (MD5) Previous issue date: 2018-08-20 / O pré-tratamento dos materiais lignocelulósicos é etapa crucial para a viabilização da utilização dessas biomassas dentro do contexto de uma biorrefinaria, pois é responsável por, através de diferentes mecanismos, facilitar o acesso aos componentes estruturais do material, permitindo sua utilização na cadeia produtiva. O consumo de água durante os pré-tratamentos é muito elevado, trazendo diversas consequências técnicas, econômicas e ambientais em um processo industrial. O processo de autohidrólise é um pré-tratamento que, dentre outras vantagens, utiliza apenas água sob temperatura e pressão elevadas para promover o fracionamento parcial da biomassa, sem a utilização de catalisadores químicos. Neste trabalho, foi estudado o reaproveitamento de água durante o processo de autohidrólise de bagaço de cana-de-açúcar, como forma de minimizar os problemas decorrentes do uso indiscriminado desse insumo, sem, no entanto, alterar o rendimento final em glicose após a hidrólise enzimática. Foram avaliados os efeitos da temperatura e tempo de reação da autohidrólise através de um planejamento fatorial, e a melhor condição obtida (192 °C e 38 minutos) foi testada num arranjo experimental para reuso dos licores provenientes do pré-tratamento. Mesmo com o reciclo, foi possível manter o rendimento de glicose após a hidrólise enzimática em torno de 62 %. Esse resultado abre um leque de opções de estratégias de processo para, em última instância, tornar viável o aproveitamento das matérias-primas lignocelulósicas numa escala industrial. / Pre-treatment of lignocellulosic material is a crucial step to make the use of these biomasses feasible within a Biorefinery context, since it is responsible for, through different mechanisms, promote access to the structural components of the material, allowing their use in the production chain. The consumption of water during pretreatments is very high, bringing several technical, economic and environmental consequences to an industrial process. Autohydrolysis is a pretreatment that, among other advantages, uses only water under high temperature and pressure to promote the partial fractionation of biomass, without the use of chemical catalysts. In this work, reuse of water during autohydrolysis of sugarcane bagasse was evaluated as a way of minimizing problems resulting from the indiscriminate use of this utility, without, however, reducing the final glucose yield after enzymatic hydrolysis. The effects of the temperature and reaction time of autohydrolysis were evaluated through a factorial design, and the best condition obtained (192 ºC and 38 minutes) was tested in an experimental arrangement for the reuse of liquors resulting from the pre-treatment. Even with the recycle, it was possible to maintain the glucose yield after enzymatic hydrolysis at around 62%. This result opens up a range of process strategies to, ultimately, make the use of lignocellulosic feedstocks viable on an industrial scale.

Neste trabalho, estudou-se a pirólise da palha de cana-de-açúcar, um resíduo orgânico de considerável impacto ambiental. A biomassa foi submetida a um processo de pirólise rápida, a uma taxa de aquecimento que promova a maior formação de produtos voláteis e semi-voláteis. Usou-se um forno elétrico tubular e um reator de quartzo de leito fixo. Foram definidas as principais variáveis do processo de pirólise e seus respectivos valores (5 g de palha de cana-de-açúcar em granulometria fina, temperatura de pirólise de 700 ºC, taxa de aquecimento de 60 ºC min-1 e fluxo de nitrogênio de 1 mLmin-1) foram obtidos e analisados o produto sólido, líquido e gasoso. O resíduo sólido mostrou-se rico em matéria mineral, predominando a sílica, confirmando a queima total do material carbonoso. A composição química do bio-óleo e dos voláteis foi determinada usando cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (mono e bidimensional) e microextração em fase sólida. O bio-óleo e material volátil apresentaram composições químicas semelhantes com predominância de compostos oxigenados (fenóis, cetonas, aldeídos, éteres, açúcares e ácidos carboxílicos) e alguns hidrocarbonetos. A biomassa mostrou-se interessante tanto para fins energéticos como para a indústria química e de fármacos, pela presença marcante de fenóis, especialmente guaiacóis. / In this work it was studied the pyrolysis of sugar cane straw, an organic waste with considerable environmental impact. The biomass was subjected to a fast pyrolysis, at a relativelly high heating rate, sufficient to promote a formation of volatile and semi-volatile compounds. It was used a electrical vertical oven and a quartz fixed bed reactor. The main variables and their values were defined as 5 g of sugar cane straw ground, maximum pyrolysis temperature at 700 ºC, heating rate at 60 ºC min-1 and a nitrogen flow of 1 mL min-1. It was obtained three main products of the pyrolysis: solid, liquid and gases. The solid residue showed to be rich in mineral material, mainly silica, which confirms the total burning of the carbonous material. The composition of bio-oil and volatile fraction were determined by gas chromatography coupled to mass spectrometric detector (mono and bi dimensional) and solid phase microextraction. The bio-oil and the volatile fraction showed similar composition with predominance of oxigenated compounds (phenols, ketones, aldehydes, ethers, carboxylic acids, sugars) and some hydrocarbons. The studied biomass showed to be intersting for energetic purposes and also for chemical and pharmaceutical industry, due to the presence of phenols and, specially, guaiacols.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:06Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-03-30Bitstream added on 2014-06-13T19:08:57Z : No. of bitstreams: 1 marques_mp_me_araiq.pdf: 653823 bytes, checksum: 55d8fe257a4e7fa45682f56f8a5f622d (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O bagaço de cana de açúcar (BCA) é o principal subproduto das indústrias de açúcar e álcool no Brasil e em função da sua abundância e baixo custo poderia ser usado para aumentar a produção de etanol, fornecendo vantagens econômicas e ambientais. A hidrólise enzimática é um caminho promissor para obter açúcares de BCA, mas a baixa acessibilidade enzimática da celulose nativa é a chave do problema neste processo. Por este motivo, o pré tratamento da biomassa é exigido para remover a lignina e a hemicelulose. O objetivo principal deste trabalho foi avaliar o potencial biotecnológico de fungos filamentosos capazes de produzir grandes quantidades de enzimas celulolíticas utilizando o BCA como substrato com pré tratamento térmico e termo ácido. As espécies fúngicas selecionadas para este estudo foram: Aspergillus nidulans (mutante melanizado), Trichophyton terrestre e Aspergillus niger. Para o cultivo em estado sólido, o bagaço pré tratado foi inoculado com micélios ou esporos dos fungos e incubados a temperatura ambiente durante 15, 30 e 60 dias. A eficácia da hidrólise microbiana foi avaliada em relação ao açúcar total (AT), ao açúcar redutor (AR), as concentrações de fenol (Fe) e a atividade das enzimas celulolíticas (celulase, avicelase e CMCase). Os resultados mostraram que a quantidade de AT, AR e Fe foi mais elevada quando os fungos foram crescidos sobre o BCA com pré tratamento termo ácido comparado ao BCA com pré tratamento térmico. Dentre os fungos estudados, o filtrado da cultura do A. niger crescido sobre o BCA com pré tratamento termo ácido por 60 dias pode ser usado como o meio fermentativo para a produção de etanol devido a uma elevada concentração açúcar redutor (1,16% m/v ou 11,6 g.L 1 ) e de baixas concentrações de fenol (0,003% m/v ou 0,03 g.L 1 ). O nível o mais elevado de celulase... / The sugar bagasse cane (SCB) is the major by product of the sugar and alcohol industries in Brazil and in function of its abundance and low cost could be used to increase ethanol production, providing economic and environmental advantages. Enzymatic hydrolysis is a promising way for obtaining sugars from SCB, but the low enzymatic accessibility of the native cellulose is a key problem in this processes. For this reason, the pretreatment of biomass is required to remove lignin and hemicellulose. The main objective of this work was to evaluate the biotechnological potential of filamentous fungi to produce large amounts of cellulolitic enzymes using thermal and/or acid pretreated SCB as substrate. The selected fungal species for this study were: Aspergillus nidulans (melanized mutant), A. niger and Trychophyton terrestre. For cultivation in solid state, the pretreated bagasse was inoculated with mycelia or spores of the fungi and incubate at room temperature during 15, 30 and 60 days. The effectiveness of the microbial hydrolysis was evaluated in terms of total sugar (TS), reducing sugar (RS) and phenol (Phe) concentrations and also activity of cellulolitic enzymes (cellulase, avicelase and CMCase). The results showed that the amount of TS, RS and Phe was higher when the fungi grown on acid and thermal pretreated SCB compared to thermal pretreated SCB. Among fungi studied, the filtrate of A. niger culture grown on acid and thermal pretreated SCB for 60 days could be used as fermentative medium for production of ethanol due to presence of high concentration of reducing sugar (1,16% m/v or 11,6 g.L 1 ) and low amounts of phenol (0,003% m/v or 0,03 g.L 1 ). The highest level of cellulase, corresponding to 0,74 IU.mL 1 , was obtained in the A. nidulans culture after 15 days of growth. For CMCase and avicelase, the maximum activity was exhibited respectively... (Complete abstract click electronic access below)