Este trabalho teve como objetivo o estudo de parâmetros experimentais do fracionamento do bagaço de cana-de-açúcar, tais como o tipo de ácido (H3PO4 1,5 % m/v e H3SO4 1,0 % m/v) empregado como catalisador na etapa de pré-tratamento em reator piloto (350 L) a 120 ºC por 20 min. Avaliou-se também os efeitos de temperatura, tempo, concentração de hidróxido de sódio e relação sólido-líquido, de acordo com um planejamento fatorial completo 24 com três repetições no ponto central, para a etapa de deslignificação alcalina em reator de bancada (2 L) do bagaço de cana-de-açúcar previamente pré-tratado de forma a obter uma fração celulósica com elevadas taxas de conversão enzimática e maior recuperação de lignina no licor negro. As melhores condições experimentais obtidas em reator de bancada para o processo de deslignificação alcalina foram reproduzidas em reator piloto de 350 L, como forma de escalonamento deste processo. As ligninas obtidas foram caracterizadas e a fração celulósica da polpa bruta do bagaço pré-tratado com ácido fosfórico foi submetida à hidrólise enzimática de forma a obter quantidade de hidrolisado suficiente para a realização de um ensaio de fermentação alcoólica, com Saccharomyces cerevisiae Pe-2, em biorreator de 700 mL de volume de trabalho, empregando a tecnologia de reciclo de células. Os resultados mostraram que o pré-tratamento com H3PO4 1,5 % (m/v) removeu 45,5 % de hemicelulose, contra 75,6 % pelo pré-tratamento com H3SO4 1,0 % (m/v). Os fatores concentração de NaOH e relação sólido-líquido apresentaram maior influência do que os fatores tempo e temperatura, no processo de deslignificação alcalina dos bagaços pré-tratados, sendo reproduzidas em escala piloto as condições 120 ºC, 30 min, NaOH 1,5 % (m/v) e relação sólido-líquido 1:15. Estas condições de reação proporcionaram a obtenção de polpas celulósicas com conversão enzimática próxima a 80 %. Análises das polpas celulósicas por difração de raios X comprovam um aumento de cristalinidade da celulose, proporcionada pela remoção de hemicelulose e lignina. Já a análise de termoporometria mostrou um aumento do tamanho dos poros na estrutura da celulose, ao longo do seu processamento. Imagens de microscopia eletrônica de varredura mostram uma maior exposição das fibras celulósicas no bagaço de cana após a deslignificação alcalina. O ensaio de fermentabilidade mostrou que o hidrolisado celulósico foi bem assimilado pela levedura Saccharomyces cerevisiae Pe-2, com a possibilidade da realização de 5 bateladas sucessivas, sendo obtidos valores de 0,45 g/g para YP/S e 5,81 g L-1h-1 para produtividade. As ligninas obtidas apresentaram características muito parecidas entre si com pureza (lignina total) entre 95-97 %, massa molar média entre 9500 e 10200 g mol-1, ponto de transição vítrea entre 140 e 160 ºC, poder calorífico na ordem de 25 MJ/kg, sendo atribuída a razão H:G:S de 1:0,9:1,1 para a lignina (ácido fosfórico) e 1:1,4:1,7 para a lignina (ácido sulfúrico). Pelos resultados de caracterização foram também propostas as fórmulas C9H8,57O2,64 (OCH3)1,00 para a lignina (ácido fosfórico) e C9H9,05O3,19 (OCH3)0,92 para a lignina (ácido sulfúrico). Palavras-chave: Fracionamento do bagaço de cana-de-açúcar. Etanol. Saccharomyces cerevisiae Pe-2. Reciclo de células. Caracterização de ligninas. / This work aimed to the study of experimental parameters of sugarcane bagasse fractionation, such as, the type of acid (H3PO4 1.5 % w/v and H2SO4 1.0 % w/v) employed as catalyst in the pretreatment step carried out in a 350 L pilot reactor at 120 ºC for 20 min. Temperature, time, NaOH concentration and solid to liquid ratio effects were also evaluated according to a 24 full factorial design with three replications in the central point, for the alkaline delignification of pretreated bagasse, carried out in a 2 L reactor, aiming to get cellulosic fraction with high enzymatic conversion rates and greater lignin recovery in black liquor. Scaling up the alkaline delignification process, the best experimental conditions obtained from 2 L reactor were reproduced in 350 L reactor. Lignins obtained were characterized and the cellulosic fraction from bagasse pulp pretreated with H3PO4 was subjected to enzymatic hydrolysis in order to obtain sufficient amount of hydrolysate to conduct an alcoholic fermentation assay with Saccharomyces cerevisiae Pe-2 yeast in a bioreactor with 700 mL working volume, employing the cell recycle technology. The results showed that 45.5 % of hemicellulosic fraction were solubilised by H3PO4 1.5 % w/v pretreatment, versus 75.6 % of hemicellulose that was solubilised by H2SO4 1.0 % w/v. In the alkaline delignification process of pretreated sugarcane bagasse, NaOH concentration and solid to liquid ratio factors had higher influence than the time and temperature factors, with 120 ºC, 30 min, NaOH 1.5 % (w/v) and 1:15 solid to liquid ratio conditions performed in pilot scale. Enzymatic conversion near to 80 % was achieved for cellulosic pulps obtained in these alkaline delignification conditions. X-ray diffraction of cellulosic pulps confirms an increase of cellulose crystallinity, proportioned by hemicellulose and lignin removal. In relation to thermoporometry analysis, an increasing of pore large in cellulose structure was observed, throughout its processing. Scanning electronic microscopy images showed more exposed cellulosic fibers after alkaline delignification. The cellulosic hydrolysate was well assimilated by the Saccharomyces cerevisiae Pe-2 yeast, with the possibility of performing five successive batches, with 0.45 g/g for YP/S and 5.81 g L-1h-1 for productivity, as resulted of fermentation assay. Lignin obtained showed very similar characteristics each other with purity (total lignin) between 95-97 %, average molecular weight between 9500 and 10200 g mol-1, glass transition point between 140 and 160 ºC, calorific value of 25 MJ/kg being attributed H:G:S ratio of 1:0.9:1.1 for lignin (phosphoric acid) and 1:1.4:1.7 ratio for lignin (sulfuric acid). Lignin formulas C9H8.57O2.64 (OCH3)1.00 to lignin (phosphoric acid) and C9H9.05O3.19 (OCH3)0.92 to lignin (sulfuric acid) were also proposed by the characterization results.

Este trabalho teve como objetivo o estudo de parâmetros experimentais do fracionamento do bagaço de cana-de-açúcar, tais como o tipo de ácido (H3PO4 1,5 % m/v e H3SO4 1,0 % m/v) empregado como catalisador na etapa de pré-tratamento em reator piloto (350 L) a 120 ºC por 20 min. Avaliou-se também os efeitos de temperatura, tempo, concentração de hidróxido de sódio e relação sólido-líquido, de acordo com um planejamento fatorial completo 24 com três repetições no ponto central, para a etapa de deslignificação alcalina em reator de bancada (2 L) do bagaço de cana-de-açúcar previamente pré-tratado de forma a obter uma fração celulósica com elevadas taxas de conversão enzimática e maior recuperação de lignina no licor negro. As melhores condições experimentais obtidas em reator de bancada para o processo de deslignificação alcalina foram reproduzidas em reator piloto de 350 L, como forma de escalonamento deste processo. As ligninas obtidas foram caracterizadas e a fração celulósica da polpa bruta do bagaço pré-tratado com ácido fosfórico foi submetida à hidrólise enzimática de forma a obter quantidade de hidrolisado suficiente para a realização de um ensaio de fermentação alcoólica, com Saccharomyces cerevisiae Pe-2, em biorreator de 700 mL de volume de trabalho, empregando a tecnologia de reciclo de células. Os resultados mostraram que o pré-tratamento com H3PO4 1,5 % (m/v) removeu 45,5 % de hemicelulose, contra 75,6 % pelo pré-tratamento com H3SO4 1,0 % (m/v). Os fatores concentração de NaOH e relação sólido-líquido apresentaram maior influência do que os fatores tempo e temperatura, no processo de deslignificação alcalina dos bagaços pré-tratados, sendo reproduzidas em escala piloto as condições 120 ºC, 30 min, NaOH 1,5 % (m/v) e relação sólido-líquido 1:15. Estas condições de reação proporcionaram a obtenção de polpas celulósicas com conversão enzimática próxima a 80 %. Análises das polpas celulósicas por difração de raios X comprovam um aumento de cristalinidade da celulose, proporcionada pela remoção de hemicelulose e lignina. Já a análise de termoporometria mostrou um aumento do tamanho dos poros na estrutura da celulose, ao longo do seu processamento. Imagens de microscopia eletrônica de varredura mostram uma maior exposição das fibras celulósicas no bagaço de cana após a deslignificação alcalina. O ensaio de fermentabilidade mostrou que o hidrolisado celulósico foi bem assimilado pela levedura Saccharomyces cerevisiae Pe-2, com a possibilidade da realização de 5 bateladas sucessivas, sendo obtidos valores de 0,45 g/g para YP/S e 5,81 g L-1h-1 para produtividade. As ligninas obtidas apresentaram características muito parecidas entre si com pureza (lignina total) entre 95-97 %, massa molar média entre 9500 e 10200 g mol-1, ponto de transição vítrea entre 140 e 160 ºC, poder calorífico na ordem de 25 MJ/kg, sendo atribuída a razão H:G:S de 1:0,9:1,1 para a lignina (ácido fosfórico) e 1:1,4:1,7 para a lignina (ácido sulfúrico). Pelos resultados de caracterização foram também propostas as fórmulas C9H8,57O2,64 (OCH3)1,00 para a lignina (ácido fosfórico) e C9H9,05O3,19 (OCH3)0,92 para a lignina (ácido sulfúrico). Palavras-chave: Fracionamento do bagaço de cana-de-açúcar. Etanol. Saccharomyces cerevisiae Pe-2. Reciclo de células. Caracterização de ligninas. / This work aimed to the study of experimental parameters of sugarcane bagasse fractionation, such as, the type of acid (H3PO4 1.5 % w/v and H2SO4 1.0 % w/v) employed as catalyst in the pretreatment step carried out in a 350 L pilot reactor at 120 ºC for 20 min. Temperature, time, NaOH concentration and solid to liquid ratio effects were also evaluated according to a 24 full factorial design with three replications in the central point, for the alkaline delignification of pretreated bagasse, carried out in a 2 L reactor, aiming to get cellulosic fraction with high enzymatic conversion rates and greater lignin recovery in black liquor. Scaling up the alkaline delignification process, the best experimental conditions obtained from 2 L reactor were reproduced in 350 L reactor. Lignins obtained were characterized and the cellulosic fraction from bagasse pulp pretreated with H3PO4 was subjected to enzymatic hydrolysis in order to obtain sufficient amount of hydrolysate to conduct an alcoholic fermentation assay with Saccharomyces cerevisiae Pe-2 yeast in a bioreactor with 700 mL working volume, employing the cell recycle technology. The results showed that 45.5 % of hemicellulosic fraction were solubilised by H3PO4 1.5 % w/v pretreatment, versus 75.6 % of hemicellulose that was solubilised by H2SO4 1.0 % w/v. In the alkaline delignification process of pretreated sugarcane bagasse, NaOH concentration and solid to liquid ratio factors had higher influence than the time and temperature factors, with 120 ºC, 30 min, NaOH 1.5 % (w/v) and 1:15 solid to liquid ratio conditions performed in pilot scale. Enzymatic conversion near to 80 % was achieved for cellulosic pulps obtained in these alkaline delignification conditions. X-ray diffraction of cellulosic pulps confirms an increase of cellulose crystallinity, proportioned by hemicellulose and lignin removal. In relation to thermoporometry analysis, an increasing of pore large in cellulose structure was observed, throughout its processing. Scanning electronic microscopy images showed more exposed cellulosic fibers after alkaline delignification. The cellulosic hydrolysate was well assimilated by the Saccharomyces cerevisiae Pe-2 yeast, with the possibility of performing five successive batches, with 0.45 g/g for YP/S and 5.81 g L-1h-1 for productivity, as resulted of fermentation assay. Lignin obtained showed very similar characteristics each other with purity (total lignin) between 95-97 %, average molecular weight between 9500 and 10200 g mol-1, glass transition point between 140 and 160 ºC, calorific value of 25 MJ/kg being attributed H:G:S ratio of 1:0.9:1.1 for lignin (phosphoric acid) and 1:1.4:1.7 ratio for lignin (sulfuric acid). Lignin formulas C9H8.57O2.64 (OCH3)1.00 to lignin (phosphoric acid) and C9H9.05O3.19 (OCH3)0.92 to lignin (sulfuric acid) were also proposed by the characterization results.

Using mixed-culture fermentation, the carboxylate platform produces carboxylic acids, which are chemically converted into chemicals and fuels. To optimize the mixed-acid fermentation, different bioreactor configurations and operating modes were investigated. Intermittent air exposure did not affect fermentation performance and bacterial profiles, but reduced the high-molecular-weight carboxylic acids. The microbial flora contained strict and facultative microbes, suggesting the presence of a facultative anaerobic community existing in a biofilm. Compared to countercurrent trains, propagated fixed-bed fermentations have similar selectivity and acid distribution, but lower yield, conversion, productivity, and acid concentration. One- to six-stage countercurrent fermentations were operated with similar conditions. Fewer stages increased conversion, whereas more stages increased acid concentration and selectivity. One to four stages achieved similar yield, and four to six stages achieved similar maximum acid concentration. Maximum conversion was achieved with a single stage. Recycling residual biomass retained microorganisms and nutrients and increased yield and productivity. Relative to lower biomass reflux, higher reflux increased conversion, decreased selectivity, and did not affect yield. The recommended carbon-nitrogen ratio is ~24 g carbon/g nitrogen. In four-stage fermentations, recycle to the second fermentor and in parallel to the first three fermentors was optimal. Fermentations with excess or insufficient nitrogen had higher selectivity, but decreased yield and conversion. The glucose-utilization assay is a rapid and repeatable method for determining the amount of microbial activity in a sample. This method determined ~25% efficiency of a new cell separation method. In continuous fermentation, compared to no cell recycle, recycling cellular biomass increased selectivity and yield, but decreased conversion. Compared to lower cell reflux, higher reflux increased productivity, yield, and conversion, but decreased selectivity. Compared to residual biomass recycle, cell recycle had increased selectivity and yield, but decreased conversion. A new method to screen and rank inoculum sources from natural environments was successfully developed and tested.

S. pneumoniae é um patógeno de grande impacto em saúde pública e vacinas comerciais têm cobertura limitada e alto custo. Como alternativa, desenvolveu-se uma vacina celular de baixo custo, cuja produção envolve apenas a separação das bactérias do caldo e sua inativação. Neste trabalho, foram avaliados processos descontínuo, descontínuo alimentado e contínuo com reciclo de células, cuja produção de biomassa foi 3 vezes maior que a do descontínuo. Vacinas obtidas nos 3 processos foram utilizadas em ensaios de imunização de camundongos e induziram níveis similares de IgG e IL-17A. Anticorpos ligaram-se e induziram a deposição de moléculas do sistema complemento sobre a superfície do pneumococo. Ademais, induziram fagocitose de diferentes cepas encapsuladas da bactéria. Camundongos imunizados foram protegidos contra sepse após aspiração da cepa virulenta WU2. Portanto, o processo contínuo com reciclo permitiu a obtenção de maior número de doses sem alterar a qualidade da vacina e o ensaio opsonofagocítico poderia ser utilizado como potencial correlato de proteção. / S. pneumoniae is a pathogen of great impact on public health and commercially available vaccines have limited coverage and high cost. As alternative, a low-cost whole cell vaccine was developed, whose production involves only the cell separation and inactivation. In this work, we evaluated batch, fed-batch and continuous cultivation with cell recycle. The biomass production was 3-fold higher in continuous process than batch. Vaccines obtained from these 3 processes were used to immunize mice and all vaccines induced comparable levels of IgG and IL-17A. Antibodies were able to bind and induce deposition of complement onto pneumococcal surface, besides to induce phagocytosis of several encapsulated pneumococcal strains in opsonophagocytic assays. Immunized mice were protected from fatal aspiration-sepsis using the virulent pneumococcal strain WU2. Therefore, the continuous process with cell recycle yielded a higher number of doses without altering the quality of the vaccine and opsonophagocytic assay could be used as a potential correlate of protection.

S. pneumoniae é um patógeno de grande impacto em saúde pública e vacinas comerciais têm cobertura limitada e alto custo. Como alternativa, desenvolveu-se uma vacina celular de baixo custo, cuja produção envolve apenas a separação das bactérias do caldo e sua inativação. Neste trabalho, foram avaliados processos descontínuo, descontínuo alimentado e contínuo com reciclo de células, cuja produção de biomassa foi 3 vezes maior que a do descontínuo. Vacinas obtidas nos 3 processos foram utilizadas em ensaios de imunização de camundongos e induziram níveis similares de IgG e IL-17A. Anticorpos ligaram-se e induziram a deposição de moléculas do sistema complemento sobre a superfície do pneumococo. Ademais, induziram fagocitose de diferentes cepas encapsuladas da bactéria. Camundongos imunizados foram protegidos contra sepse após aspiração da cepa virulenta WU2. Portanto, o processo contínuo com reciclo permitiu a obtenção de maior número de doses sem alterar a qualidade da vacina e o ensaio opsonofagocítico poderia ser utilizado como potencial correlato de proteção. / S. pneumoniae is a pathogen of great impact on public health and commercially available vaccines have limited coverage and high cost. As alternative, a low-cost whole cell vaccine was developed, whose production involves only the cell separation and inactivation. In this work, we evaluated batch, fed-batch and continuous cultivation with cell recycle. The biomass production was 3-fold higher in continuous process than batch. Vaccines obtained from these 3 processes were used to immunize mice and all vaccines induced comparable levels of IgG and IL-17A. Antibodies were able to bind and induce deposition of complement onto pneumococcal surface, besides to induce phagocytosis of several encapsulated pneumococcal strains in opsonophagocytic assays. Immunized mice were protected from fatal aspiration-sepsis using the virulent pneumococcal strain WU2. Therefore, the continuous process with cell recycle yielded a higher number of doses without altering the quality of the vaccine and opsonophagocytic assay could be used as a potential correlate of protection.