Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: Second-generation bioethanol is an alternative transportation fuel currently being investigated whereby cellulose, specifically lignocellulosic (woody) portions, of any plant mass can be converted to ethanol. To date, the technology had only been successfully implemented with demonstration scale facilities. Despite intensive research efforts at laboratory scale, no-one is certain what the secondary effects of scale-up to large systems are. The objective of this project was to develop threedimensional numerical models of a laboratory scale fermenter which could predict the effects of particulate mixing and reaction kinetics for future scale-up investigations. A numerical model of the reaction kinetics for simultaneous saccharification and fermentation of Avicel (microcrystalline cellulose) particles to ethanol is presented. The novelty of this model is the separation of the two primary cellulase enzyme-kinetics, which generated the capability to predict the heterogeneous behaviour of the enzyme-substrate interactions. This model improves the understanding of these systems while maintaining sufficient simplicity for implementation alongside a commercial computational fluid dynamics environment. Effects of the various fermentation medium constituents and the influence of each on the dynamic viscosity of the medium were also investigated. Results indicated that particle volume fraction had the dominant effect on the apparent dynamic viscosity resulting in further research of the particle properties. Due to the irregular shapes of Avicel particles, tests were conducted to determine drag and settling behaviour, which led to the development and modification of models to account for these phenomena. This investigation is unique as it allows a more accurate calculation of particle transportation through a three-dimensional environment including the effects of natural packing density. At lower particle volume fraction the concentration of ethanol and glycerol had the greatest effect on the apparent dynamic viscosity and was calculated from models obtained from literature. Validation of the physics and the incorporation thereof in the simulations resulted in the modification of various generic models which either improved numerical stability or accuracy, or both. Contributions included a modified form of the pressure force model, which proved significantly more stable and accurate than previous models proposed in literature. The models developed for capturing the effects of particles on the apparent dynamic viscosity proved effective for this specific substrate. Results from cross-coupling the reaction models with computational fluid dynamic simulations provide a novel approach to capturing the secondary effect of substrate conversion and particle distribution on the performance of the fermentation vessels. This is the first time where that biological reactions were successfully combined with particle dynamics and fluid flow fields to investigate the secondary effects which occur in fermenters. This work served as a foundation for future research and development within the bioethanol field with significant potential for expansion into other biochemical disciplines. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Tweede-generasie bioetanol is ’n alternatiewe vervoerbrandstof wat tans ondersoek word waar sellulose, spesifiek lignosellulosiese (houtagtige) gedeeltes, van enige plantmassa na etanol omgesit kan word. Tot op hede was die tegnologie slegs suksesvol geïmplimenteer in demonstrasieskaal fasiliteite. Ten spyte van intensiewe navorsingpogings op laboratoriumskaal, is niemand seker wat die sekondêre effekte van die opskaal tot groot stelsels sal wees nie. Die doelwit van die projek was om drie-dimensionele modelle te ontwikkel van ’n laboratoriumskaal fermentor wat die effekte van partikulêre vermenging en reaksiekinetika kan voorspel vir toekomstige opskaal navorsing. ’n Numeriese model van die reaksiekinetika vir gelyktydige versuikering en fermentasie van Avicel (mikrokristallyne sellulose) partikels tot etanol word aangebied. Die oorspronklikheid van die model is geleë in die skeiding van die twee primêre sellulase ensiemkinetika, wat lei tot die vermoë om die heterogene gedrag van die ensiem-substraat interaksies te voorspel. Hierdie model verbeter die kennis van die stelsels, terwyl voldoende eenvoud behoue bly vir implementering parallel aan kommersiële berekeningsvloeidinamika sagteware. Effekte van die verskillende bestanddele van die fermentasiemedium en die invloed van elk op die dinamiese viskositeit van die medium is ook ondersoek. Resultate dui aan dat partikel volume fraksie die dominante invloed op die skynbare dinamiese viskositeit het, wat gelei het tot verdere ondersoek van die partikel eienskappe. As gevolg van die onreëlmatige vorms van Avicel partikels, is toetse gedoen om die sleur-en uitsakkingsgedrag te bepaal, wat gelei het tot die ontwikkeling en aanpassing van modelle om hierdie verskynsels in ag te neem. Hierdie ondersoek is uniek, want dit laat meer akkurate berekening van partikelvervoer deur ’n drie-dimensionele omgewing toe, insluitend die effekte van natuurlike verpakkingsdigtheid. By laer partikel volume fraksie het die konsentrasie van etanol en gliserol die grootste effek op die skynbare dinamiese viskositeit gehad en was bereken vanaf modelle in die literatuur. Bevestiging van die fisika en die insluiting daarvan in die simulasies het gelei tot die aanpasing van verskillende generiese modelle wat óf numeriese stabiliteit óf akkuraatheid óf beide verbeter. Bydraes gemaak sluit ’n aangepaste vorm van die drukkragmodel in, wat heelwat meer stabiel en akkuraat was as die vorige modelle voorgestel in die literatuur. Die modelle wat ontwikkel is om die effek van partikels op die skynbare viskositeit vas te vang, was effektief bewys vir hierdie spesifieke substraat. Resultate van die kruiskoppeling van inligting vanaf die reaksiemodelle met berekeningsvloeidinamika simulasies lewer ’n nuwe benadering tot die bepaling van die sekondêre effek van substraatomskakeling en partikeldistribusie op die uitvoering van die fermentasie toestel. Hierdie is die eerste poging om biologiese reaksies met partikel dinamika en vloeivelde te kombineer om die sekondêre effekte wat in fermenter plaasvind, te ondersoek. Hierdie werk dien as ’n grondslag vir toekomstige navorsing en ontwikkeling binne die bioetanolveld, met beduidende potensiaal vir uitbreiding na ander biochemiese dissiplines.

Após as crises de petróleo ocorridas no século passado, vários países buscaram o desenvolvimento de novos combustíveis a fim de reduzir a dependência deste recurso natural. O Brasil foi um deles e criou o Programa Nacional do Álcool (Pró-Álcool) para incentivar a produção de etanol. Hoje, mais de 80% da frota nacional de veículos rodam ou somente com etanol ou com a mistura de gasolina e etanol. Para atender a crescente demanda de etanol, sem competir com áreas cultiváveis voltadas para produção de alimentos, fontes de materiais lignocelulósicos podem ser utilizadas com o intuito de se aproveitar a fração celulósica para obtenção de açúcar fermentável. Neste trabalho propôs-se avaliar o efeito de tecnologias de pré-tratamento dos subprodutos sucroalcooleiros (bagaço e palha de cana), seguida ou não de uma etapa de deslignificação, sobre a conversão enzimática da celulose de cada biomassa vegetal. Os materiais lignocelulósicos foram pré-tratados por explosão a vapor (bagaço), impregnação a vapor (palha) e por ultrassom (bagaço e palha). A etapa de pré-tratamento por explosão a vapor foi realizada no reator industrial de 5 m3 sob a condição de 200°C por 7min, das Usinas de Açúcar, Álcool e Biodiesel Vale do Rosário. A etapa de pré-tratamento por impregnação de vapor foi realizada em reator de 20 L sob as condições de 180, 185, 190, 195 °C por 10 min e 190°C por 15 min. Já a etapa de pré-tratamento por ultrassom foi realizada em banho de ultrassom a 55°C por 40 min e radiação de 40 kHz/120W. Os materiais pré-tratados foram deslignificados sob a condição de NaOH 1% (m/v), 100°C por 1h, variando somente o tamanho reator em função da quantidade de biomassa disponível. Para o bagaço explodido a vapor, a deslignificação organosolv também foi testada, variando as condições numa matriz de planejamento L18 de Taguchi. Os ensaios de hidrólise enzimática foram realizados empregando Celluclast 1.5L (15 FPU/g de amostra) e ?-Glucosidase (10 UI/g de amostra). Das três técnicas de pré-tratamento avaliadas (explosão a vapor, impregnação a vapor e ultrassom), somente os métodos baseados em vapor foram eficientes na desagregação dos constituintes dos subprodutos sucroalcooleiros. Esses métodos foram capazes de remover grande parte da hemicelulose (acima de 70%) e uma parte da lignina (<40%), elevando a digestibilidade da celulose pelas enzimas celulolíticas (conversão de 66 a 68%). O método de pré-tratamento com ultrassom provocou o aumento da recalcitrância dos materiais lignocelulósicos tanto para o agente deslignificante (soda cáustica) como para as celulases, sendo, portanto, um método não indicado, dentro da faixa das condições avaliadas, para um processo de conversão dos subprodutos sucroalcooleiros em açúcares fermentáveis. A etapa de deslignificação com soda cáustica foi essencial para elevar a digestibilidade dos materiais lignocelulósicos pré-tratados por explosão a vapor ou com ultrassom. Entretanto, para a palha pré-tratada hidrotermicamente, a etapa de extração alcalina não promoveu um efeito positivo sobre a conversão enzimática de celulose. De forma geral, observou-se que o bagaço de cana apresenta um potencial ligeiramente maior para conversão em açúcares fermentáveis em comparação com a palha de cana. / After the oil crises occurred in the last century, many countries have been to develop new fuels to reduce dependence on this natural resource. Brazil was one of them and created the National Alcohol Program (Pro-álcool) to promote the production of ethanol. Today, more than 80% of the national vehicles run on ethanol or with a mixture of gasoline and ethanol. To supply the growing demand for ethanol, without it to affect the food production farmland, sources of lignocellulosic materials can be used in order to take advantage of the cellulosic fraction for production of fermentable sugar. This work had objective to evaluate the effect of pretreatment technologies of sugarcane byproducts (bagasse and straw), followed or not by a stage of delignification, on the cellulose enzymatic conversion of each biomass. The lignocellulosic materials were pretreated by steam explosion (bagasse), vapor impregnation (straw) and ultrasound (bagasse and straw). The steam explosion pretreatment was carried out in 5 m3 industrial reactor under the condition of 200 °C for 7 min, from Usinas de Açúcar, Álcool e Biodiesel Vale do Rosário. The steam impregnation pretreatment was carried out in 20 L reactor under conditions of 180, 185, 190, 195 °C for 10 min and 190 °C for 15 min. The ultrasound pretreatment was performed in the ultrasonic bath at 55 °C for 40 min and 40 kHz/120W radiation. The pretreated materials were deslignified on condition of 1% (w/v) NaOH, 100 °C for 1 h, using different sizes of reactors due to amount of biomass available. For the steam exploded bagasse, one stage of organosolv delignification was also tested varying the conditions in a L18 Taguchi matrix. The enzymatic hydrolysis tests were performed using Celluclast 1.5L (15 FPU/g of material) and ?-Glucosidase (10 IU/g of material). From three pretreatment techniques evaluated (steam explosion, steam impregnation and ultrasonic), only the vapor-based methods were efficient in the breakdown of the constituents of sugarcane byproducts. These methods were able to remove most of the hemicellulose (above 70%) and a part of the lignin (<40%), increasing the cellulose digestibility by cellulolytic enzymes (conversion 66-68%). The ultrasound pretreatment increases the recalcitrance of lignocellulosic materials both for the caustic soda and for cellulases. Therefore, this pretreatment method is not indicated, within the conditions range assessed, for a conversion process of sugarcane byproducts to fermentable sugars. The delignification stage with caustic soda was essential to increase the digestibility of lignocellulosic materials pretreated by steam explosion or ultrasound. However, for the straw pretreated hydrothermically, the alkaline extraction did not cause a positive effect on the enzymatic conversion of cellulose. Overall, it was observed that sugarcane bagasse has a slightly higher potential for conversion to fermentable sugars in relation to sugarcane straw.

Atualmente há grande interesse no desenvolvimento de processos enzimáticos eficientes para a hidrólise da biomassa lignocelulósica. O objetivo deste trabalho foi a otimização da produção por fermentação em estado sólido e a caracterização bioquímica, no extrato bruto, das -glucosidases, -xilosidases e xilanases produzidas por Colletotrichum graminicola e das lacases produzidas por Pycnoporus sanguineus. Também foi avaliado o potencial de aplicação dos extratos obtidos em coquetéis enzimáticos para a sacarificação de resíduos agroindustriais. A otimização das condições de cultivo, empregando a Metodologia de Superfície de Resposta, levou à produção de 159,3 ± 12,7 U g-1, 125,88 ± 6,4 U g-1, 378,1 ± 23,3 U g-1 e 138,6 ± 6,4 U g-1 de -glucosidases, -xilosidases, xilanases e lacases, respectivamente. Os meios de cultivo empregados foram constituídos por farelo de trigo suplementado com resíduos agroindustriais. Todas as enzimas produzidas apresentaram pH e temperatura ótimos de reação de 4,5-5,0 e 65ºC, respectivamente, bem como boa estabilidade térmica e ao pH. O coquetel composto pelos extratos brutos obtidos em condições otimizadas para a produção de xilanases (ECg) e lacases (EPs), em mistura com um extrato bruto de Trichoderma reesei rico em celulases (ETr) foi muito eficiente na sacarificação de palha de cana e papelão, sem pré-tratamento, atingindo rendimentos de 41,4 e 71,1% em glicose, respectivamente. Além disso, este coquetel foi mais eficiente na sacarificação de bagaço de cana explodido e in natura bem como de palha de cana in natura, quando comparado a um coquetel contendo celulases comerciais (Celluclast®) em mistura com ECg e EPs. Visando estudos futuros da ação individual de cada enzima sobre a biomassa, foi purificada uma -glucosidase majoritária de C. graminicola. A enzima mostrou temperatura e pH ótimos de reação de 5,0 e 65ºC, respectivamente, boa estabilidade térmica e ao pH, além da estimulação por xilose, propriedade muito interessante para emprego em coquetéis mistos de celulases e xilanases. Os resultados encontrados sugerem que as enzimas produzidas por C. graminicola e P. sanguineus, assim como os coquetéis enzimáticos avaliados, apresentam características muito interessantes para aplicações biotecnológicas, particularmente em processos de sacarificação da biomassa para obtenção de etanol celulósico. / There is currently a great interest in developing efficient processes for the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass. The objective of this study was the optimization of the culture conditions for the production of -glucosidases, xylanases and -xylosidases by Colletotrichum graminicola and laccases by Pycnoporus sanguineus under solid state fermentation, followed by the biochemical characterization of the enzymes in the crude extracts. The potential of application of the extracts to compose enzyme cocktails for the saccharification of agroindustrial residues was also investigated. Optimization of the culture conditions using the Response Surface Methodology led to the production of 159.3 ± 12.7 U g - 1, 125.88 ± 6.4 U g- 1, 378.1 ± 23.3 U g - 1 and 138.6 ± 6.4 U g - 1 of -glucosidases, -xylosidases, xylanases and laccases, respectively. The culture media employed consisted mainly of wheat bran, supplemented with agroindustrial residues. All enzymes produced showed optimum pH and temperature of 4.5-5.0 and 65° C, respectively, as well as good thermal and pH stability. A cocktail composed of the crude extracts obtained under optimized conditions for the production of xylanases (ECg) and laccases (EPs), mixed with a Trichoderma reesei crude extract (ETr), rich in cellulases, was highly efficient for the saccharification of sugarcane trash and cardboard, without pretreatment, reaching yields of 41.4% and 71.1% in glucose, respectively. Moreover, this cocktail was more efficient than a cocktail composed of commercial cellulases (Celluclast ®) in combination with ECg and EPs for the saccharification of raw and steam exploded sugarcane bagasse, as well as raw sugarcane trash. Aiming future studies on the individual action of each enzyme on biomass, a majoritary -glucosidase from C. graminicola was purified. The enzyme showed optima of temperature and pH of 5.0 and 65° C, respectively, good thermal and pH stability, as well as stimulation by xylose, a very interesting property for its application in mixed cellulase-xylanase cocktails. The results suggested that the enzymes produced by C. graminicola and P. sanguineus, as well as the cocktails employed in this study, have good potential for biotechnological applications, particularly in biomass saccharification processes for cellulosic ethanol production.

Devido à sua importante atividade celulolítica, o fungo Trichoderma harzianum possui um grande potencial de aplicação na hidrólise da biomassa. No entanto, as celulases deste fungo filamentoso ainda não foram caracterizadas em profundidade. A celobiohidrolase I (CBHI) é a principal enzima celulolítica produzida por Trichoderma sp. e atualmente é uma das celulases mais investigadas para aplicações de biocombustíveis. A CBHI hidrolisa celulose cristalina à unidades solúveis de celobiose, o que a torna uma enzima chave para a produção de açúcares fermentáveis a partir da biomassa. O objetivo deste trabalho foi purificar e caracterizar a CBHI de Trichoderma harzianum (ThCBHI) bioquímica, biofísica e estruturalmente. Primeiramente foi estabelecido um protocolo de purificação eficiente da proteína a partir da expressão homóloga no fungo. A caracterização bioquímica ThCBHI mostrou que a proteína possui uma massa molecular de 66 kDa, pI de 5,23 e o pH e a temperatura de atividade ótima foram 5,0 e 50 ºC, respectivamente. A influência do pH e temperatura sobre as estruturas secundárias e terciárias e atividade enzimática da ThCBHI foram analisados por espectroscopia de CD, fluorescência e SAXS, e os resultados mostraram que as perturbações de pH e de temperatura afetam a estabilidade por dois mecanismos diferentes. As variações de pH podem modificar a protonação dos resíduos, afetando diretamente sua atividade, levando a desestabilização estrutural apenas em limites extremos de pH, como pH 9,0. A temperatura, por outro lado, tem uma influência direta sobre enovelamento e compactação da enzima, fazendo com que na temperatura em torno de 60 ºC ocorra perda da estrutura secundária, e terciária. Quando as análises foram realizadas na presença do produto de reação e também inibidor competitivo, celobiose, a estabilidade térmica da ThCBHI aumentou significativamente de 61,5 para 65,9 ºC. Os estudos estruturais e simulações de dinâmica molecular mostraram que a flexibilidade do resíduo Tyr260, em comparação com a Tyr247 do homólogo de T. reesei CBHI (TrCBHI), é aumentada devido às cadeias laterais curtas adjacentes de Val216 e Ala384 criando uma abertura adicional na face lateral do túnel catalítico. A ThCBHI também apresenta um loop encurtado na entrada do túnel de interação com a celulose, o que tem sido descrito como o responsável por interagir com o substrato de TrCBHI. Estas características estruturais podem explicar por que a ThCBHI apresenta maior valor de kcat e menor inibição pelo produto em comparação com TrCBHI. / Trichoderma harzianum is a fungus that has a considerable potential in biomass hydrolysis application due to its elevated cellulolytic activity. Cellulases from Trichoderma reesei have been widely used as model in studies of cellulose breakdown. However, cellulases from Trichoderma harzianum are less-studied enzymes which have not been characterized biophysically and biochemically as yet. CBHI, a cellobiohydrolase I, is the major cellulolytic enzyme produced by Trichoderma sp. and is currently one of the most investigated cellulases for biofuel applications. CBHI hydrolyzes crystalline cellulose to soluble cellobiose units, which turns it into a key enzyme for producing fermentable sugars from biomass. The aim of this work was to purify and characterize the CBHI of Trichoderma harzianum (ThCBHI). We established an efficient purification protocol of ThCBHI, from the homologous expression. The biochemical characterization of ThCBHI showed that the protein has a molecular mass of 66 kDa, a pI of 5,23, and the optimum pH and temperature for its activity are 5,0 and 50 ºC, respectively. The effect of pH and temperature on secondary and tertiary structure and enzymatic activity of ThCBHI were analyzed by CD and Fluorescence spectroscopy and showed that they affect protein stability by two distinct mechanisms. Variations of pH modify protonation of the residues, affecting directly its activity, leading to structural destabilization only at extreme pH values, such as pH 9, 0. On the other hand, temperature has direct influence on mobility, fold and compactness of the folding enzyme, at temperatures above 60 ºC, there is loss of secondary and tertiary structure. When the assays were conducted in the presence of the cellobiose, a competitive inhibitor, thermal stability of ThCBHI was significantly increased to 61,5 to 65,9 ºC. Structural studies and molecular dynamics simulations showed that the flexibility of Tyr260, in comparison to the Tyr247 from the homologous T. reesei CBHI, is enhanced due to the short side chains of adjacent Val216 and Ala384 residues and creates an additional gap at the side face of the catalytic tunnel. In addition, CBHI of T. harzianum has a shortened loop at the entrance of the cellulose-binding tunnel, which has been described to interact with the substrate in T. reesei CBHI. These structural features might explain why T. harzianum enzyme displays higher kcat value and lower product inhibition on both glucosides and lactosides substrates in comparison to T. reesei CBHI.

O aproveitamento de fibras naturais como materiais de reforço em compósitos cimentícios é uma alternativa que apresenta potencial técnico, econômico, social e ambiental. Porém seu uso é limitado pela baixa durabilidade e estabilidade dimensional, refletidas na perda da capacidade de reforço das fibras em consequência da sua rápida degradação dentro da matriz de cimento. Para abordar esta situação, estudos ao redor do mundo mostraram que é possível aplicar tratamentos sobre as fibras e/ou matriz, modificando seu comportamento e obtendo resultados positivos. Dentro deste contexto, o presente estudo teve por objetivo aplicar e avaliar o efeito do tratamento de hornificação sobre polpas vegetais de eucalipto e pinus (não branqueadas) e do tratamento de carbonatação acelerada ou uso de adições pozolânicas sobre a matriz de cimento, alterando sua alcalinidade, buscando assim, maior durabilidade do material de reforço e otimizando o desempenho geral do compósito. Para atingir os objetivos propostos foram determinadas e analisadas propriedades físicas, morfologias e microestruturais das polpas antes e após do processo de hornificação. Posteriormente, em uma segunda etapa do trabalho, foram produzidos compósitos cimentícios com vistas em determinar o teor de reforço ótimo (6%, 8% e 10%) de polpas celulósicas (tratadas e não tratadas), curados por cura térmica sendo avaliados por meio da determinação de propriedades físico-mecânicas, microestruturais e de durabilidade. Seguidamente, em uma terceira etapa do trabalho, foram produzidos compósitos cimentícios com polpas celulósicas (tratadas e não tratadas) curados por carbonatação acelerada, sendo avaliados por meio da determinação de propriedades físico-mecânicas, microestruturais e de durabilidade. Na última etapa, foram avaliadas formulações de compósitos cimentícios reforçados com a polpa celulósica (tratada e não tratada) de melhor desempenho com adição de cinzas de casca de arroz ou resíduo de carvão ativado como material pozolânico, sendo avaliadas suas propriedades físico-mecânicas, microestruturais e de durabilidade. Os resultados obtidos permitem identificar que a hornificação gera modificações na estrutura interna das polpas reduzindo sua capacidade de absorção de água, estabilidade dimensiona, colapso do lúmen e incremento da rugosidade superficial sem ocasionar deterioração da sua estrutura ou componentes. No que concerne à influência da porcentagem de polpa de reforço aplicada, o desempenho das propriedades físico-mecânicas caiu proporcionalmente com o incremento da porcentagem de reforço, sendo este fenômeno acompanhado pela formação de aglomerações de polpas. Assim, os compósitos com 6% de reforço de polpas de eucalipto ou pinus se destacaram pelo desempenho. Em relação ao reforço com fibras hornificadas, foram obtidas melhoras no desempenho do módulo de ruptura e energia específica, com destacável conservação após do material ser envelhecido. Ao ser aplicada a cura por carbonatação acelerada sobre as matrizes, se obtiveram melhoras destacáveis na durabilidade das fibras e no desempenho mecânico antes e após do envelhecimento acelerado em relação aos compósitos curados por cura térmica. Estas melhoras foram mais representativas com o reforço de polpas hornificadas. O uso de substituição parcial do cimento por CCA mostrou o pior desempenho físico-mecânico. Por sua vez, a substituição de 25% de RCA permitiu alcançar melhoras no comportamento das propriedades físico-mecânicas das matrizes, especialmente com o reforço com a polpa hornificada. / The use of natural fibers as reinforcement materials in cement composites is an alternative that offers technical, economic, social and environmental potential. But their use is limited by its low durability and dimensional stability, reflected in a building capacity loss as result of its rapid degradation within the cement matrix. To address this situation, studies around the world show that it is possible to apply treatments on the fibers and/or the matrix, thus, modifying their behavior and obtaining positive results. Within this context, this study aimed to implement and evaluate the effect an hornification treatment on eucalyptus and pine kraft pulps (unbleached); and an accelerated carbonation treatment or use pozzolanic additions on the cement matrix that changes its alkalinity, seeking thus, greater durability of the reinforcing material, optimizing the overall performance of the composite. To achieve the proposed objectives, the physical, and microstructural morphologies of the pulps were determined and analyzed before and after the hornification process. Then, in a second stage of the work, cementitious composites were produced with a view to determining the optimal reinforcement content (6%, 8% and 10%) of cellulosic pulps (treated and untreated), cured by thermal curing, being evaluated by the determination of its durability, physical-mechanical and microstructure properties. Subsequently, in a third stage of the work, cementitious composites were developed with cellulose pulps (treated and untreated) and cured by accelerated carbonation, being evaluated by the determination of its durability, physical-mechanical and microstructure properties. In the last stage, formulations of cementitious composites reinforced with cellulose pulps (treated and untreated) of better performance were evaluated with the addition of rice husk ash (CCA) or activated coal mining waste (RCA) as pozzolanic material, being evaluated their physicomechanical, microstructural and durability properties. Therefore, we expected to obtain a cement matrix of low alkalinity and a reinforcing fiber with lower capacity for water absorption and higher dimensional stability, which acting together would achieve a superior mechanical performance as well as a longer durability over time. The obtained results allow to identify that the hornification generates modifications in the internal structure of the pulps reducing its capacity of water absorption, stability, lumen collapse and increase surface roughness without causing deterioration of its structure or components. Regarding the influence of the percentage of reinforcing pulp applied, the performance of the physical-mechanical properties fell proportionally with the increment of the reinforcement percentage, being this phenomenon accompanied by formation of agglomerations of pulps. Thus, the composites with 6% reinforcement of pulps of eucalyptus or pinus stood out by the performance. In relation to the reinforcement with hornificated fibers, the performance of the modulus of rupture and specific energy were obtained, with detachable conservation after the material was aged. When accelerated carbonatation curing was applied to the matrices, the durability of the fibers and the mechanical performance before and after the accelerated aging were obtained in relation to the heat curing composites. These improvements were more representative with the reinforcement of hornified pulps. The use of partial cement substitution by CCA showed the worst physicomechanical performance. On the other hand, the substitution of 25% or RCA allowed to achieve improvements in the behavior of the physical-mechanical properties of the matrices, especially with the reinforcement with the hornified pulp.

O objetivo deste trabalho foi encontrar os melhores cenários para os vetores energéticos etanol e eletricidade em termos das quantidades disponibilizadas de bagaço e palha para cada processo e da composição de biomassa em uma usina de processamento de cana-de-açúcar. O modelo simulado é abrangente, com otimização multiobjetivo. Com isso, mostrou-se que a biomassa possui características específicas para os conjuntos de vetores de saída próximos ao limite máximo de energia (fronteira de Pareto). Os resultados foram obtidos com a utilização do Método de Monte Carlo para gerar de forma aleatória a combinação das variáveis de interesse como umidade, fibra e outras. A contribuição das variáveis na produção otimizada dos vetores de energia foi avaliada por meio de distribuição de probabilidade e mostrou que a conversão ideal ocorre para altos teores de fibra e pequena umidade. A composição da fibra do bagaço e da palha tem importante papel nas vias de conversão, sendo a lignina a variável de maior impacto. O modelo mostrou que a palha tem papel menos relevante na otimização, possivelmente em função da menor quantidade em que é usada e da menor variabilidade de suas propriedades. / The objective of this work was to find the best scenarios for production of the energy vectors ethanol and electricity from sugarcane bagasse and straw, considering variables as mass flow rate destined to each process, biomass composition and fibers composition in a sugarcane plant. The model is comprehensive with multiobjective optimization and was able to show that biomass has a characteristic set of properties in the vicinity of the maximum limits of energy (Paretos frontier). In order to generate the stochastic variables of interest as humidity, fiber content and fiber properties as well as the amounts of biomass destined to energy and ethanol it was applied the Monte Carlo method. The contribution of each variable to the optimized production of energy vectors was assessed by probability distribution and showed that the ideal conversion occurs for high fiber and low humidity contents. The fiber compositions of the bagasse and straw had a secondary importance on the conversion routes, with lignin playing a prominent role. The model indicated that straw has a less relevant role in the optimization, possibly because it is used in smaller quantities and has a narrower variation of its properties.

A utilização de resíduos agroindustriais como fontes lignocelulósicas para a obtenção de diversos insumos químicos é uma alternativa para contribuir para a valorização destes subprodutos. Neste contexto, o etanol produzido a partir de materiais lignocelulósicos torna-se uma opção interessante para aumentar a produção deste combustível sem aumentar a área plantada das colheitas utilizadas para sua produção, já que a demanda de etanol vem aumentando cada vez mais nos últimos anos, com o objetivo de substituir o petróleo e seus derivados, contribuindo significativamente para a redução dos impactos negativos ao meio ambiente, tais como o aquecimento global provocado pela queima dos combustíveis fósseis. Para que a produção de etanol celulósico seja economicamente viável é necessário que estas fontes lignocelulósicas sejam fracionadas de forma a disponibilizar a maior quantidade de carboidratos possível para o processo de fermentação alcoólica. Neste trabalho propôs-se avaliar a sacarificação enzimática dos materiais, palha de cana-de-açúcar, bagaço de cana-deaçúcar e pseudocaule de bananeira, nas formas -in natura?, pré-tratada e deslignificada de forma a verificar o efeito do pré-tratamento e da deslignificação no aumento da conversão enzimática da celulose de cada biomassa vegetal. Todos os materiais lignocelulósicos foram caracterizados quimicamente nas formas -in natura?, pré-tratada e deslignificada. Análises de FTIR para cada biomassa comprovaram a alteração na estrutura química proporcionada pelo pré-tratamento e deslignificação destes materiais. O pré-tratamento com H2SO4 1,0% (m/v) a 120 °C por 10 min, seguido de deslignificação com NaOH 1,0% (m/v) a 100 °C por 1h, ambos em reator piloto agitado de 350 L promoveu uma solubilização de 88,8 % de hemicelulose e 77,9% de lignina para a palha de cana, e uma solubilização de 79,3% de hemicelulose e 62,3% de lignina para o pseudocaule de bananeira. Já o bagaço de cana foi pré-tratado hidrotermicamente em reator de 20 L, nas condições, 180 °C/10 min, 185 °C/10 min, 190 °C/10 min e 195 °C/10 min, sendo que esta última condição, seguida de deslignificação com NaOH a 1,0% (m/v) a 100 °C por 1h proporcionou uma solubilização de 95,8% de hemicelulose e 80,9% de lignina para este material. Os ensaios de conversão enzimática dos materiais lignocelulósicos mostraram que a conversão celulósica aumentou consideravelmente, para todos os materiais, após o pré-tratamento seguido de deslignificação, atingindo 85% de conversão para a palha de cana, 89,2% de conversão para o bagaço de cana e 61,0% de conversão para o pseudocaule de bananeira. Após as etapas de pré-tratamento e deslignificação alcalina, os materiais lignocelulósicos apresentaram uma estrutura morfológica modificada, com as células vegetais livres de células de parênquima, conforme verificado pelas análises de MEV, e com redução da cristalinidade da celulose remanescente, conforme mostrado pelas análises de Difratometria de Raios X. Ensaios de fermentabilidade dos hidrolisados celulósicos de bagaço de cana utilizando a levedura Candida guilliermondii mostraram uma boa resposta da levedura à produção de etanol alcançando uma concentração máxima de 20 g/L. / The use of agroindustrials residues about lignocellulosics sources to obtain many chemicals products it\'s an alternative to contribute for the valuation of these subproducts. In this context, the ethanol produced by lignocellulosic materials it´s an interesting option for increase the production of this fuel without increase the agriculture area for production of biofuels, since the ethanol demand has increasing even more in the last years, with the objective of substitute the oil and his derivates, contribute significatively for reduce of negative impacts for environment, about the greenhouse gas impacts produced by burning of fossil fuels. For that production of cellulosic ethanol will be economic favorable it´s necessary that lignocellulosics sources will be fractionates for to make it available many carbohydrates possible for alcohol fermentation processes. This work had objective to evaluate enzymatic saccharification of materials, sugar cane straw, sugar cane bagasse and pseudosteam of banana, in this raw, pretreated and delignificated forms, for analyze the effect of pretreatment and delignification on the increase of enzymatic saccharification of cellulose wich biomass. Every lignocellulosic materials went submitted a chemical characterization in this raw, pretreated and delignificated forms. FTIR analysis for each biomass confirmed the change of chemical structure challenge for pretreatment and delignification of this materials. The pretreatment with H2SO4 1.0% (m/v), 120 °C, 10 min, followed of delignification with NaOH 1.0% (m/v), 100 °C, 1h, both in 350 L agitated reactor, promoted a solubilization of 88.8% for hemicellulose and 77.9% of lignin for sugar cane straw, and a solubilization of 79.3% for hemicellulose and 62.3% of lignin for pseudosteam of banana. The sugar cane bagasse went carried hydrothermal processing pretreatment on reactor of 20 L, in this conditions, 180 °C/10 min, 185 °C/10 min, 190 °C/10 min e 195 °C/10 min, although in this last condition, followed of delignification with NaOH 1,0% (m/v), 100 °C for 1h to affored a solubilization of 95.8% for hemicellulose and 80.9% of lignin for this material. The experiments of enzymatic saccharification of lignocellulosic materials showed that cellulosic conversion increased considerably, for all materials, after pretreatment followed of delignification, attaining 85% of conversion for the sugar cane straw, 89.2% of conversion for the sugar cane bagasse and 61% of conversion for the pseudosteam of banana. After pretreatments steps and alkaline delignification, the lignocellulosic materials showed changed morphologic estrutural, with vegetable cells lived of parenchyme cells, according to the SEM analysis, and with reduce of cellulose cristallinity remaining, according to the X Ray diffraction analysis. Experiments of fermentation of cellulosics hydrolysates of sugar cane bagasse using Candida guilliermondii it has showed a good reply of yeast for the ethanol production aimed the máxime concentration of 20 g/L.

A utilização de resíduos agroindustriais como fontes lignocelulósicas para a obtenção de diversos insumos químicos é uma alternativa para contribuir para a valorização destes subprodutos. Neste contexto, o etanol produzido a partir de materiais lignocelulósicos torna-se uma opção interessante para aumentar a produção deste combustível sem aumentar a área plantada das colheitas utilizadas para sua produção, já que a demanda de etanol vem aumentando cada vez mais nos últimos anos, com o objetivo de substituir o petróleo e seus derivados, contribuindo significativamente para a redução dos impactos negativos ao meio ambiente, tais como o aquecimento global provocado pela queima dos combustíveis fósseis. Para que a produção de etanol celulósico seja economicamente viável é necessário que estas fontes lignocelulósicas sejam fracionadas de forma a disponibilizar a maior quantidade de carboidratos possível para o processo de fermentação alcoólica. Neste trabalho propôs-se avaliar a sacarificação enzimática dos materiais, palha de cana-de-açúcar, bagaço de cana-deaçúcar e pseudocaule de bananeira, nas formas -in natura?, pré-tratada e deslignificada de forma a verificar o efeito do pré-tratamento e da deslignificação no aumento da conversão enzimática da celulose de cada biomassa vegetal. Todos os materiais lignocelulósicos foram caracterizados quimicamente nas formas -in natura?, pré-tratada e deslignificada. Análises de FTIR para cada biomassa comprovaram a alteração na estrutura química proporcionada pelo pré-tratamento e deslignificação destes materiais. O pré-tratamento com H2SO4 1,0% (m/v) a 120 °C por 10 min, seguido de deslignificação com NaOH 1,0% (m/v) a 100 °C por 1h, ambos em reator piloto agitado de 350 L promoveu uma solubilização de 88,8 % de hemicelulose e 77,9% de lignina para a palha de cana, e uma solubilização de 79,3% de hemicelulose e 62,3% de lignina para o pseudocaule de bananeira. Já o bagaço de cana foi pré-tratado hidrotermicamente em reator de 20 L, nas condições, 180 °C/10 min, 185 °C/10 min, 190 °C/10 min e 195 °C/10 min, sendo que esta última condição, seguida de deslignificação com NaOH a 1,0% (m/v) a 100 °C por 1h proporcionou uma solubilização de 95,8% de hemicelulose e 80,9% de lignina para este material. Os ensaios de conversão enzimática dos materiais lignocelulósicos mostraram que a conversão celulósica aumentou consideravelmente, para todos os materiais, após o pré-tratamento seguido de deslignificação, atingindo 85% de conversão para a palha de cana, 89,2% de conversão para o bagaço de cana e 61,0% de conversão para o pseudocaule de bananeira. Após as etapas de pré-tratamento e deslignificação alcalina, os materiais lignocelulósicos apresentaram uma estrutura morfológica modificada, com as células vegetais livres de células de parênquima, conforme verificado pelas análises de MEV, e com redução da cristalinidade da celulose remanescente, conforme mostrado pelas análises de Difratometria de Raios X. Ensaios de fermentabilidade dos hidrolisados celulósicos de bagaço de cana utilizando a levedura Candida guilliermondii mostraram uma boa resposta da levedura à produção de etanol alcançando uma concentração máxima de 20 g/L. / The use of agroindustrials residues about lignocellulosics sources to obtain many chemicals products it\'s an alternative to contribute for the valuation of these subproducts. In this context, the ethanol produced by lignocellulosic materials it´s an interesting option for increase the production of this fuel without increase the agriculture area for production of biofuels, since the ethanol demand has increasing even more in the last years, with the objective of substitute the oil and his derivates, contribute significatively for reduce of negative impacts for environment, about the greenhouse gas impacts produced by burning of fossil fuels. For that production of cellulosic ethanol will be economic favorable it´s necessary that lignocellulosics sources will be fractionates for to make it available many carbohydrates possible for alcohol fermentation processes. This work had objective to evaluate enzymatic saccharification of materials, sugar cane straw, sugar cane bagasse and pseudosteam of banana, in this raw, pretreated and delignificated forms, for analyze the effect of pretreatment and delignification on the increase of enzymatic saccharification of cellulose wich biomass. Every lignocellulosic materials went submitted a chemical characterization in this raw, pretreated and delignificated forms. FTIR analysis for each biomass confirmed the change of chemical structure challenge for pretreatment and delignification of this materials. The pretreatment with H2SO4 1.0% (m/v), 120 °C, 10 min, followed of delignification with NaOH 1.0% (m/v), 100 °C, 1h, both in 350 L agitated reactor, promoted a solubilization of 88.8% for hemicellulose and 77.9% of lignin for sugar cane straw, and a solubilization of 79.3% for hemicellulose and 62.3% of lignin for pseudosteam of banana. The sugar cane bagasse went carried hydrothermal processing pretreatment on reactor of 20 L, in this conditions, 180 °C/10 min, 185 °C/10 min, 190 °C/10 min e 195 °C/10 min, although in this last condition, followed of delignification with NaOH 1,0% (m/v), 100 °C for 1h to affored a solubilization of 95.8% for hemicellulose and 80.9% of lignin for this material. The experiments of enzymatic saccharification of lignocellulosic materials showed that cellulosic conversion increased considerably, for all materials, after pretreatment followed of delignification, attaining 85% of conversion for the sugar cane straw, 89.2% of conversion for the sugar cane bagasse and 61% of conversion for the pseudosteam of banana. After pretreatments steps and alkaline delignification, the lignocellulosic materials showed changed morphologic estrutural, with vegetable cells lived of parenchyme cells, according to the SEM analysis, and with reduce of cellulose cristallinity remaining, according to the X Ray diffraction analysis. Experiments of fermentation of cellulosics hydrolysates of sugar cane bagasse using Candida guilliermondii it has showed a good reply of yeast for the ethanol production aimed the máxime concentration of 20 g/L.

The current energy crisis is exponentially growing and widening the chasm between demand and supply. Biofuels such as ethanol not only provide greener alternatives to fossil fuels but have been shown to reduce emissions from vehicles, improving air etc. Biofuel production from sources such as cellulose is believed to be more sustainable due to its low cost, vast availability in nature and sources such as industrial plant waste can be put to good use. However, due to the absence of a low-cost technology to overcome its recalcitrance, a concept called Consolidated Bioprocessing (CBP) has been put forward which proposes to integrate the production of saccharolytic enzymes, hydrolysis of the carbohydrate components to sugar molecules, and the fermentation of hexose and pentose sugars to biofuels into a single process. The present study involves development of cellulolytic E. coli strains towards cellodextrin assimilation by employing an energy-saving strategy in cellulose metabolism through the phosphorolytic cleavage of cellodextrin mixture produced as cellulosic degradation products.

Le manque de compréhension des réactions liées à l'utilisation de l'ozone a constitué un clair frein au développement de séquences de blanchiment non-chlorées efficaces. Considéré comme un élément central des séquences TCF face aux séquences ECF comprenant du dioxyde de chlore, l'ozone ne permettait pas l'obtention de pâtes cellulosiques de qualité aussi élevée. Le but de ce travail est l'élaboration de séquences de blanchiment non-chlorées permettant l'obtention d'un produit final de haute qualité. Ce type de séquence pourrait présenter de nombreux avantages, parmi lesquels sont envisagés des gains environnementaux indéniables. Afin d'atteindre cet objectif, les réactions liées à l'ozone et au peroxyde d'hydrogène ont été étudiées plus avant. Après une revue bibliographique, cet écrit revient dans un second chapitre sur certaines hypothèses de la littérature qui, confrontées entre elles et avec certains premiers résultats, permettent de mettre en évidence certaines incohérences. Dans une troisième partie, plusieurs pâtes de compositions différentes ont été étudiées, afin de vérifier l'ordre des réactions de l'ozone sur les divers composés d'une pâte kraft, et afin également d'envisager l'ampleur des dégradations subies par la cellulose dans ces différents substrats, qu'il s'agisse de dépolymérisation, ou de modifications fonctionnelles. Ces résultats ont permis de formuler une hypothèse relative aux réactions de l'ozone sur des composés insaturés, tels que ceux des acides hexenuroniques. Par l'utilisation d'une méthode de détection rarement utilisée en papeterie, cette hypothèse a été validée : la réaction de l'ozone sur certains composés insaturés non-aromatiques pourrait générer des radicaux, eux-mêmes à l'origine de mécanismes de modification de la cellulose. D'après les résultats, l'ozone ne serait que marginalement directement responsable des dégradations de la cellulose. L'effet des différents stades alcalin a également été envisagé dans une quatrième partie. C'est ainsi que la dépolymérisation de la cellulose et ses modifications fonctionnelles ont également été analysées à l'issue de ces stades. Les résultats suggèrent notamment l'existence d'un mécanisme de dépolymérisation impliquant les carbonyles cellulosiques et des agents nucléophiles. Une grande partie de la dégradation se produisant dans les stades au peroxyde d'hydrogène lui serait ainsi imputable. Le dernier chapitre revient sur ces différentes considérations, dans l'optique de minimiser les inconvénients liés à ces différents stades, et particulièrement aux stades à l'ozone. Différentes combinaisons des réactifs ont été envisagées pour former des séquences non-chlorées. Les résultats montrent que l'obtention de pâtes de qualité comparable à celle de pâtes issues de séquences de blanchiment chlorées est possible. / The lack of understanding regarding the reactions of ozone with pulp components is one of the reasons why chlorine-free bleaching never really developed. Ozone is actually believed to lead to an extensive degradation of cellulose, contrary to the agent it could replace: chlorine dioxide. However, as the use of chlorinated compounds has many drawbacks, including the generation of toxic compounds, non-degrading chlorine-free bleaching sequences have to be designed. To do so, a better understanding of reactions involving ozone and hydrogen peroxide has to be gained. The first part of this very work consisted of a literature review. In the second part, some of the main hypotheses extracted from the literature were compared with other elements and first results, to show they inevitably led to contradictions and that new theories were needed. The third part was dedicated to ozone. The order of its reactions with pulp components was first of all checked. The properties of pulps of various compositions were then measured through ozonations. This study led to a new hypothesis, which was validated thanks to ESR spectroscopy. The reaction of ozone with some non-aromatic unsaturated compounds seems to give radical species. Those radical species would be in turn responsible for the depolymerization of cellulose, and the formation of carbonyl groups on cellulose as well. The fourth part dealt with the impact of alkaline treatment on cellulose after ozonations. Observations about carbonyl content and degree of polymerization suggest a new mechanism related to carbonyl and nucleophilic agents, explaining a main part of the depolymerization undergone by the cellulose. The last chapter of this work summarizes the trials regarding the optimisation of a chlorine-free bleaching sequence. It proves that high-quality pulps can be obtained by chlorine-free processes.