Made available in DSpace on 2018-08-01T23:29:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_10953_Dissertacao_Christina.pdf: 2153110 bytes, checksum: 0e878215d0e85414b336f7d102ce4c7f (MD5) Previous issue date: 2017-05-05 / O bagaço e a palha da cana-de-açúcar, que antes eram avaliados como resíduos sem função, se mostram como fonte para suprir as necessidades energéticas das usinas, através da cogeração de energia elétrica, tanto para autossuficiência quanto para a venda a concessionária de energia, podendo ainda, serem utilizados para a produção de etanol 2G, e assim desempenhar um papel importante para as usinas, por que tem uma fonte a mais de receita. Sendo então, possível aumentar a produção de etanol apenas com a utilização da palha e do bagaço da cana-de-açúcar, sem ampliar a área plantada, contribuindo com o incremento e produtividade no setor. Nesse contexto, o objetivo desse trabalho é analisar os custos da produção de etanol 2G, a partir da avaliação da viabilidade técnico-econômica para implantação de uma unidade de produção de álcool de segunda geração a partir dos resíduos da cana-de-açúcar. A avaliação de desempenho econômico-financeira não é prática recente nas organizações, e é a partir da análise dos indicadores utilizados (Margem de contribuição, TIR, VPL e Payback descontado) que será realizada a verificação de desempenho das seis usinas alcooleiras do estado do Espírito Santo, mediante quatro cenários distintos: Cenário I - Produção de álcool 2G a partir da palha obtida nas áreas de cultivo de municípios capixabas produtores de cana-de-açúcar; Cenário II - Produção de álcool 2G a partir da utilização de todo bagaço da cana-de-açúcar originado na própria usina e sem cogeração de energia elétrica; Cenário III - Produção de álcool 2G por meio da utilização do excedente de bagaço da própria usina; e Cenário IV - Produção de álcool 2G a partir do excedente do bagaço adquirido pela compra desse resíduo nas demais usinas do Espírito Santo. Para a apreciação da viabilidade econômica dessa implantação, nos diversos cenários, considera-se necessário um investimento inicial para compra de equipamentos (reatores para pré-tratamento e hidrólise). As demais etapas de produção de etanol 2G, fermentação e destilação, são idênticas ao etanol 1G, portanto esses processos serão realizados na usina existente com seu próprio maquinário.

Orientador: Gustavo Ventorim / Resumo: O setor de combustíveis líquidos tem passado por uma constante mudança no cenário econômico mundial. Com a previsão de esgotamento das fontes de combustíveis fósseis, a corrida por novas alternativas se tornou um marco das gerações passadas e futuras. O denominado etanol celulósico produzido através da biomassa pode ser a chave para a questão energética mundial, no entanto, este tipo de produto encontra como barreira o desenvolvimento de tecnologias mais acessíveis e a custos menores. Dentre os materiais utilizados, a madeira pode apresentar vantagens como: baixa perda por degradação, quando estabelecida rotações silviculturais não está sujeita a sazonalidade, dentre outras. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo encontrar uma nova rota de produção de etanol celulósico a partir de cavacos de Eucalyptus urograndis e estudar o efeito da dosagem de fermento na etapa de conversão da glicose a etanol. O estudo foi realizado utilizando os processos de auto- hidrólise e polpação soda (23% de álcali ativo), como etapa de pré-tratamento da matéria prima, seguidos então, pela hidrólise ácida com ácido sulfúrico 72% e fermentação com 10, 20 e 30g da levedura Saccharomyces cerevisiae. Ao final foram analisados os rendimentos alcançados. O processo de fermentação mostrou uma eficácia de 90,05%, 88,29% e 79,57% para 10, 20 e 30 g, respectivamente, rendimentos ótimos para esta etapa. A utilização de 10 g foi suficiente para a etapa de fermentação frente as outras quantidades... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The liquid fuel industry has been undergoing a constant change in the world economic scenario for years, with the forecast of depletion of fossil fuel sources, the race for new alternatives has become a mark of past and future generations. The so-called cellulosic ethanol produced through biomass may be the key to the world energy issue, however, this type of product finds as a barrier the development of technologies more accessible and at lower cost. Among the materials used, wood can present advantages in terms of low degradation loss, when established silvicultural rotations are not subject to seasonality, among others. In this context, the present work aimed to find a new route for the production of cellulosic ethanol from Eucalyptus urograndis chips and to study the effect of yeast dosage on the conversion of glucose to ethanol. he process was carried out using the processes of autohydrolysis and sodium pulping (23% alcohol on the market), as the main process of pre-processing the raw material, followed by acid hydrolysis with 72% sulfuric acid and fermentation with 10, 20 and 30g of yeast Saccharomyces cerevisiae, at the end of the harvest. The fermentation process has an advantage of 90.05%, 88.29% and 79.57% for 10, 20 and 30 g, respectively, described as excellent for this stage. The use of 10g was sufficient for a fermentation step compared to other sources (20 and 30g), thus, a ratio of 1g of yeast to 4.7g.L-1. As a global result of the 100g initial chip discarding... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

A expansão do setor sucroenergético favoreceu o desenvolvimento da tecnologia de etanol de segunda geração (2G). No entanto, este é um processo que leva à geração de altíssimos volumes de resíduos, bem como o processo de primeira geração (1G). O principal deles é a vinhaça, que também apresenta elevado potencial poluidor. Nesse contexto, vê-se, portanto, a necessidade de se dar uma finalidade adequada ao resíduo. A digestão anaeróbia se tornou uma tecnologia muito disseminada e valorizada em outros países. Isso se deve às vantagens em gestão de resíduos e na geração de energia proporcionadas por essa tecnologia. O potencial de aplicação da vinhaça para produção de biogás é enorme, dado que é um resíduo muito rico em matéria orgânica e de grande disponibilidade no Brasil. A digestão anaeróbia precisa também ser desenvolvida para o resíduo do processo de etanol 2G, pois espera-se que as características da vinhaça gerada sejam diferentes. É importante a investigação da influência que a composição da vinhaça 2G pode ter sobre o processo da digestão anaeróbia e produção de biogás, e este foi o principal objetivo deste trabalho. Para isso, realizou-se inicialmente a caracterização de vinhaça 1G e de vinhaça 2G obtidas para o experimento deste estudo. A composição das duas vinhaças apresentou as principais diferenças para as concentrações de DQO, ácidos orgânicos (sobretudo o ácido acético), compostos fenólicos e sulfato. Foram obtidas concentrações de DQO de 30.732,80 mg O2 L-1 e 19.038,13 mg O2 L-1 para vinhaça 1G e vinhaça 2G, respectivamente. As concentrações de ácido acético e compostos fenólicos totais foram, respectivamente, 88,14% e 84,10% maiores na vinhaça 2G do que na vinhaça 1G. A concentração de sulfato na vinhaça 2G foi 28,11% menor que a concentração obtida na vinhaça 1G. A avaliação de processo de produção de biogás foi realizada em dois reatores metanogênicos, um utilizando vinhaça 1G como substrato e outro, utilizando vinhaça 2G. Os processos foram monitorados segundo a produção de biogás por DQO removida, produção de ácidos orgânicos, alcalinidade, remoção de compostos fenólicos, remoção de ânions e retenção de sólidos. Os efluentes dos reatores metanogênicos também foram caracterizados segundo o teor de cátions. O processo com vinhaça 2G teve produção de biogás quatro vezes maior que o processo com vinhaça 1G. Foram obtidos valores médios de 0,32 Lbiogás DQOremov-1 para o processo com vinhaça 2G e 0,08 Lbiogás DQOremov-1 para o processo com vinhaça 1G. De acordo com o monitoramento dos processos por alcalinidade e concentração de ácidos orgânicos, o processo com vinhaça 2G também se mostrou mais eficiente do que o processo com vinhaça 1G no que diz respeito ao consumo de matéria orgânica. A remoção de compostos fenólicos totais teve eficiência média de 56,96% para o processo utilizando vinhaça 2G, enquanto que o processo com vinhaça 1G não foi capaz de removê-los. Infere-se que a elevada concentração de ácido acético na vinhaça 2G tenha contribuído para o processo de produção de biogás. A alta disponibilidade de acetato favorece a atividade metabólica de arqueas metanogênicas, o que é fundamental para o equilíbrio químico da conversão de matéria orgânica em biogás. / The Sucroenergetic sector expansion has favored the development of second generation ethanol technology. However, the process leads to the production of large amounts of residues, as well as the first generation process. The main residue is the vinasse, which is very pollutant. In this context it becomes clear the need of giving an appropriate application for vinasse. Anaerobic digestion has turned into a very disseminated and very well accepted technology in many countries, which is mainly due to its results as an efficient waste management and energy generation. Vinasse has a great potential for biogas production through anaerobic digestion, since it is a residue with high organic matter and in large availability in Brazil. Such technology has to be developed also for the residues obtained through second generation ethanol process. With a different process, it is expected that residues composition might also be different. It is important to look into the influence that second generation vinasse composition may bring to anaerobic digestion. The purpose of this study was to investigate the effects of second generations vinasse composition over the biogas production process. Before experiments, first and second generation vinasses were characterized. The most remarkable differences for vinasses composition were obtained for COD concentration, organic acids concentration (specially for acetic acid), phenolic compounds and sulphate. COD concentrations were 30,732.80 mg O2 L-1 and 19,038.13 mg O2 L-1 for first generation vinasse and second generation vinasse, respectively. Acetic acid and total phenolic compounds were, respectively, 88.14% and 84.10% higher for second generation vinasse than those found for first generation vinasse. Sulphate concentration for second generation vinasse was 28.11% lower than first generation vinasse\'s concentration. Biogas production process was evaluated for two different methanogenic reactors: first generation vinasse was used as substrate for one reactor and second generation vinasse was used as substrate for the second one. Processes were monitored according to biogas production by removed COD, organic acids production, alkalinity, phenolic compounds removal, anions removal and solids retention. Both reactors had their effluents characterized by cations content. In the process carried out with second generation vinasse the biogas production was four times higher than in the process carried out with first generation vinasse. The average values were 0.08 Lbiogas CODremoved-1 and 0.32 Lbiogas CODremoved-1 for first and second generation, respectively. Considering processes monitoring by alkalinity and organic acids concentrations, the process carried out with second generation vinasse was more efficient in regards to organic matter consumption. The average efficiency for total phenolic compounds removal was 56.96% for the process using second generation as substrate. On the other hand, the process with first generation vinasse was not capable of consuming them. The results obtained in this study suggest that the high acetic acid concentration in second generation vinasse have contributed to biogas production. High acetate availability promotes archaeas metabolic activity, which is fundamental for chemical balance in converting organic matter into biogas.

A busca por combustíveis renováveis tem se expandido cada vez mais no mundo moderno, devido à preocupação com a redução do volume de emissões de gases causadores do efeito estufa. No presente trabalho descreve-se a caracterização físico-quíca e espectroscópica de gramíneas com potencial para geração de Etanol 2G (Sorgo Biomassa, Capim Elefante, Capim Marandu, Capim Mombaça). As matrizes vegetais foram caracterizadas por diferentes técnicas, incluindo Análise Elementar, Ressonância Magnética Nuclear (RMN) de 13C, difração de raios X (DR-X), espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourrier (FTIR), microscopia eletrônica de varredura acoplada com detector de energia dispersiva (MEV-EDS). Os componentes extraídos foram avaliados por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) e por espectroscopia de absorção eletrônica (UV-VIS). O bagaço de cana apresentou maior teor de C com 45,0%, o colmo do Capim-Marandu apresentou maior concentração de O com 46,1%; a concentração de H para todos os materiais ficaram próximas dos 5%; as folhas do Capim-Marandu apresentaram 4,5% de teor de S; as folhas de Capim-Elefante e do Sorgo apresentaram maior concentração de N que tiveram como média 2%. As análises da composição lignocelulósica por via ácida diluída mostraram que os colmos possuem maior concentração de celulose, hemicelulose e lignina, enquanto as folhas apresentaram maiores teores de inorgânicos (cinzas). As análises por RMN dos materiais brutos mostraram as mesmas tendências de composição orgânica. A DR-X mostrou uma maior presença de celulose cristalina nos colmos, bem como a presença de materiais silicatados na folhas. As análises por FTIR indicaram nos colmos as maiores intensidades de sinal na região das bandas de polissacarídeos (1030-1100 cm-1). As folhas apresentaram um sinal peculiar de ligações C-O-C em carbonatos na forma fina e intensa (sharp) na região de 1380 cm-1. Também foi empregado o método de Van Soest para caracterização da composição geral da biomassa, sendo os resultados não comparáveis com os observados pelo método em via ácida, superestimando a quantidade de celulose e subestimando os valores de lignina. Com as imagens de MEV foi possível identificar estruturas internas dos materiais estudados, comprovando o ordenamento das fibras vegetais. Apesar das folhas possuirem menor teor de celulose, este polissacarídeo está mais amorfo, comparada com os colmos. No geral, os resutados mostraram que as diferentes gramíneas possuem muita similaridade química-estrutural, fato que deve possibilitar o uso de um mesmo processo de hidrólise, independentemente da fonte. / The search for renewable fuels has been increasing in the modern world, due to this worring about the reduction in the volume of emissions of greenhouse. In this study we describe the physical-chemical and spectroscopic characterization and the grass potential in generating 2G Ethanol (Sorgum, Marandu, Elephant and Mombaça). The plant matrices were characterized by different techniques, including Elemental Analysis, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) 13C, X-ray diffraction (XRD), infrared spectroscopy with Fourier transform (FTIR), scanning electron microscopy coupled with energy dispersive detector (SEM-EDS). The extracted components were evaluated by high performance liquid chromatography (HPLC) and spectroscopy of electronic absorption (UV-VIS). Sugarcane bagasse showed higher C content with 45.0%, the stem Marandugrass had the higher O with 46.1%; H concentration for all materials were closer than 5%; the Marandugrass leaves showed 4.5% of the sulfur content; leaves Elephantgrass and sorghum showed higher N which had the average 2%. Analyses of lignocellulosic composition by acid way showed that stems contain higher concentrations of cellulose, hemicellulose and lignin, since leafs presented higher contents of inorganics (ash). NMR analyses of the raw materials showed the same tendence of organic composition. XRD showed higher content of cristaline cellulose in the stem, as well as, the presence of silicate materials in the leafs. FTIR indicated the major stems signal intensities of the bands in the region of polysaccharides (1030-1100 cm-1). The leaves had a peculiar C-O-C signal connection in the form of sharp carbonates in the region 1380 cm-1. It was also used the Van Soest melthod regaring to general characterization of the biomass, but the resultas were not comparable to the acid way method, because it overvalues the cellulose contents and undervalues the lignin ones. By the SEM images, they were identified internal structures of the studied materials, proving the system of the ordenated plant fibers. Despite leafs presented lower contents of cellulose, this polysacharide is amorfous, comparing to stems. In general, results showed that these different grasses have chemical-structural similarities, which probably makes possible the use of the same hydrolysis process, independently of the biomass source.

As nonoceluloses são partículas com pelo menos uma dimensão menor que 100 nm. A produção delas a partir de materiais lignocelulósicos tem obtido grande destaque nos últimos anos. A celulose nanocristalina (CNC) é tradicionalmente produzida através da hidrólise ácida, utilizando alta concentração de ácido, grande volume de água e com baixo rendimento. A celulose nanofibrilada (CNF) é produzida pela desfibrilação mecânica de polpas celulósicas com alto consumo de energia. Por outro lado, embora a produção industrial de etanol 2G já tenha começado, com as primeiras plantas de produção em escala espalhadas pelo mundo, a hidrólise enzimática completa da celulose para este fim não é economicamente viável e gera um resíduo rico em celulose e altamente recalcitrante, que poderia ser utilizado para produzir nanoceluloses, que tem alto valor agregado. Neste contexto, este estudo investigou a viabilidade técnica da produção das nanoceluloses (CNC e CNF) integradas ao processo de produção de açúcares fermentescíveis para a produção de etanol 2G a partir do bagaço de cana-de-açúcar. Incialmente, em uma planta piloto de produção de etanol 2G, o bagaço foi pré-tratado por explosão a vapor, que gerou a celulignina que foi deslignificada com NaOH. A polpa celulósica gerada foi tratada com peróxido de hidrogênio em meio alcalino para realizar a remoção da lignina residual. Os materiais gerados pelo pré-tratamento e pelo processo de polpação em meio alcalino foram caracterizados quando sua composição química e hidrolisados com diferentes cargas de enzimas. Os resultados mostraram a eficiência dos pré-tratamentos aplicados ao bagaço de cana-de-açúcar causando o enriquecimento em celulose e a diminuição do teor lignina e de hemiceluloses, acarretando um maior acesso das enzimas a celulose. O estudo do efeito das cargas enzimáticas, do aumento da carga de sólidos e do sistema de agitação, resultou em conversões de celulose em torno de 80%, atingindo concentrações acima de 120 g/L. Utilizando o resíduo de hidrólise da polpa celulósica, foram obtidas as nanoceluloses. A CNC apresentou tamanho médio de partículas de 679 nm, índice de cristalinidade de 54%, diâmetros mais frequentes entre 55 e 65 nm e rendimento de aproximadamente 48%. A CNF apresentou tamanho médio de 722 nm e diâmetros com maior frequência em torno de 60 nm, e rendimento de aproximadamente 38%. As suspensões aquosas de CNC e CNF apresentaram baixa estabilidade, quando monitoradas através do potencial zeta. / Nanocelluloses are particles with at least one dimension smaller than 100 nm. Their production from lignocellulosic materials has gained prominence in recent years. Cellulose nanocrystals (CNC) is traditionally produced through acid hydrolysis using high acid concentration, high water volume and results in low yield. Cellulose nanofibrils (CNF) is produced by mechanical defibrillation of cellulosic pulps with high energy consumption. On the other hand, despite the fact the production of 2G ethanol has already reached commercial production, with the first commercial facilities around the worldwide, complete enzymatic hydrolysis of cellulose for this purpose is not economically viable and generates a highly recalcitrant residue rich in cellulose and, which could be used to produce nanocelluloses, high-added value products. In this context, this study investigated the technical viability of obtaining nanocelluloses integrated into the production process of fermentable sugars to obtain 2G ethanol from sugarcane bagasse. Initially, at a pilot plant for production of2G ethanol, sugarcane bagasse was pre-treated by steam explosion, generating cellulignin, which was delignified with NaOH. The resulting cellulosic pulp was treated with hydrogen peroxide in an alkaline medium to remove residual lignin. The materials generated after the pre-treatment and the pulping process in alkaline medium were characterized regarding their chemical composition and then hydrolyzed with different loads of enzymes. The results showed that the pre-treatments applied to the bagasse caused the enrichment in cellulose and the decrease of lignin and hemicelluloses contents, leading to a greater access of the enzymes to cellulose. The enzymatic charges used in the experiments, which were evaluated in combination with the increase of the solids loading together with the change of the agitation system, resulted in a cellulose conversion of around 80%, reaching concentrations above 120 g/L. Using the hydrolysis residue of the cellulosic pulp, nanocelluloses were obtained. The CNC showed a mean particle size of 679 nm, crystallinity index of 54%, diameters between 55 and 65 nm and a yield of about 48%. The CNF displayed an average particle size of 722 nm and diameters with higher frequency around 60 nm. The aqueous suspensions of CNC and CNF showed low stability when monitored through the zeta potential.

A expansão do setor sucroenergético favoreceu o desenvolvimento da tecnologia de etanol de segunda geração (2G). No entanto, este é um processo que leva à geração de altíssimos volumes de resíduos, bem como o processo de primeira geração (1G). O principal deles é a vinhaça, que também apresenta elevado potencial poluidor. Nesse contexto, vê-se, portanto, a necessidade de se dar uma finalidade adequada ao resíduo. A digestão anaeróbia se tornou uma tecnologia muito disseminada e valorizada em outros países. Isso se deve às vantagens em gestão de resíduos e na geração de energia proporcionadas por essa tecnologia. O potencial de aplicação da vinhaça para produção de biogás é enorme, dado que é um resíduo muito rico em matéria orgânica e de grande disponibilidade no Brasil. A digestão anaeróbia precisa também ser desenvolvida para o resíduo do processo de etanol 2G, pois espera-se que as características da vinhaça gerada sejam diferentes. É importante a investigação da influência que a composição da vinhaça 2G pode ter sobre o processo da digestão anaeróbia e produção de biogás, e este foi o principal objetivo deste trabalho. Para isso, realizou-se inicialmente a caracterização de vinhaça 1G e de vinhaça 2G obtidas para o experimento deste estudo. A composição das duas vinhaças apresentou as principais diferenças para as concentrações de DQO, ácidos orgânicos (sobretudo o ácido acético), compostos fenólicos e sulfato. Foram obtidas concentrações de DQO de 30.732,80 mg O2 L-1 e 19.038,13 mg O2 L-1 para vinhaça 1G e vinhaça 2G, respectivamente. As concentrações de ácido acético e compostos fenólicos totais foram, respectivamente, 88,14% e 84,10% maiores na vinhaça 2G do que na vinhaça 1G. A concentração de sulfato na vinhaça 2G foi 28,11% menor que a concentração obtida na vinhaça 1G. A avaliação de processo de produção de biogás foi realizada em dois reatores metanogênicos, um utilizando vinhaça 1G como substrato e outro, utilizando vinhaça 2G. Os processos foram monitorados segundo a produção de biogás por DQO removida, produção de ácidos orgânicos, alcalinidade, remoção de compostos fenólicos, remoção de ânions e retenção de sólidos. Os efluentes dos reatores metanogênicos também foram caracterizados segundo o teor de cátions. O processo com vinhaça 2G teve produção de biogás quatro vezes maior que o processo com vinhaça 1G. Foram obtidos valores médios de 0,32 Lbiogás DQOremov-1 para o processo com vinhaça 2G e 0,08 Lbiogás DQOremov-1 para o processo com vinhaça 1G. De acordo com o monitoramento dos processos por alcalinidade e concentração de ácidos orgânicos, o processo com vinhaça 2G também se mostrou mais eficiente do que o processo com vinhaça 1G no que diz respeito ao consumo de matéria orgânica. A remoção de compostos fenólicos totais teve eficiência média de 56,96% para o processo utilizando vinhaça 2G, enquanto que o processo com vinhaça 1G não foi capaz de removê-los. Infere-se que a elevada concentração de ácido acético na vinhaça 2G tenha contribuído para o processo de produção de biogás. A alta disponibilidade de acetato favorece a atividade metabólica de arqueas metanogênicas, o que é fundamental para o equilíbrio químico da conversão de matéria orgânica em biogás. / The Sucroenergetic sector expansion has favored the development of second generation ethanol technology. However, the process leads to the production of large amounts of residues, as well as the first generation process. The main residue is the vinasse, which is very pollutant. In this context it becomes clear the need of giving an appropriate application for vinasse. Anaerobic digestion has turned into a very disseminated and very well accepted technology in many countries, which is mainly due to its results as an efficient waste management and energy generation. Vinasse has a great potential for biogas production through anaerobic digestion, since it is a residue with high organic matter and in large availability in Brazil. Such technology has to be developed also for the residues obtained through second generation ethanol process. With a different process, it is expected that residues composition might also be different. It is important to look into the influence that second generation vinasse composition may bring to anaerobic digestion. The purpose of this study was to investigate the effects of second generations vinasse composition over the biogas production process. Before experiments, first and second generation vinasses were characterized. The most remarkable differences for vinasses composition were obtained for COD concentration, organic acids concentration (specially for acetic acid), phenolic compounds and sulphate. COD concentrations were 30,732.80 mg O2 L-1 and 19,038.13 mg O2 L-1 for first generation vinasse and second generation vinasse, respectively. Acetic acid and total phenolic compounds were, respectively, 88.14% and 84.10% higher for second generation vinasse than those found for first generation vinasse. Sulphate concentration for second generation vinasse was 28.11% lower than first generation vinasse\'s concentration. Biogas production process was evaluated for two different methanogenic reactors: first generation vinasse was used as substrate for one reactor and second generation vinasse was used as substrate for the second one. Processes were monitored according to biogas production by removed COD, organic acids production, alkalinity, phenolic compounds removal, anions removal and solids retention. Both reactors had their effluents characterized by cations content. In the process carried out with second generation vinasse the biogas production was four times higher than in the process carried out with first generation vinasse. The average values were 0.08 Lbiogas CODremoved-1 and 0.32 Lbiogas CODremoved-1 for first and second generation, respectively. Considering processes monitoring by alkalinity and organic acids concentrations, the process carried out with second generation vinasse was more efficient in regards to organic matter consumption. The average efficiency for total phenolic compounds removal was 56.96% for the process using second generation as substrate. On the other hand, the process with first generation vinasse was not capable of consuming them. The results obtained in this study suggest that the high acetic acid concentration in second generation vinasse have contributed to biogas production. High acetate availability promotes archaeas metabolic activity, which is fundamental for chemical balance in converting organic matter into biogas.

A busca por combustíveis renováveis tem se expandido cada vez mais no mundo moderno, devido à preocupação com a redução do volume de emissões de gases causadores do efeito estufa. No presente trabalho descreve-se a caracterização físico-quíca e espectroscópica de gramíneas com potencial para geração de Etanol 2G (Sorgo Biomassa, Capim Elefante, Capim Marandu, Capim Mombaça). As matrizes vegetais foram caracterizadas por diferentes técnicas, incluindo Análise Elementar, Ressonância Magnética Nuclear (RMN) de 13C, difração de raios X (DR-X), espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourrier (FTIR), microscopia eletrônica de varredura acoplada com detector de energia dispersiva (MEV-EDS). Os componentes extraídos foram avaliados por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) e por espectroscopia de absorção eletrônica (UV-VIS). O bagaço de cana apresentou maior teor de C com 45,0%, o colmo do Capim-Marandu apresentou maior concentração de O com 46,1%; a concentração de H para todos os materiais ficaram próximas dos 5%; as folhas do Capim-Marandu apresentaram 4,5% de teor de S; as folhas de Capim-Elefante e do Sorgo apresentaram maior concentração de N que tiveram como média 2%. As análises da composição lignocelulósica por via ácida diluída mostraram que os colmos possuem maior concentração de celulose, hemicelulose e lignina, enquanto as folhas apresentaram maiores teores de inorgânicos (cinzas). As análises por RMN dos materiais brutos mostraram as mesmas tendências de composição orgânica. A DR-X mostrou uma maior presença de celulose cristalina nos colmos, bem como a presença de materiais silicatados na folhas. As análises por FTIR indicaram nos colmos as maiores intensidades de sinal na região das bandas de polissacarídeos (1030-1100 cm-1). As folhas apresentaram um sinal peculiar de ligações C-O-C em carbonatos na forma fina e intensa (sharp) na região de 1380 cm-1. Também foi empregado o método de Van Soest para caracterização da composição geral da biomassa, sendo os resultados não comparáveis com os observados pelo método em via ácida, superestimando a quantidade de celulose e subestimando os valores de lignina. Com as imagens de MEV foi possível identificar estruturas internas dos materiais estudados, comprovando o ordenamento das fibras vegetais. Apesar das folhas possuirem menor teor de celulose, este polissacarídeo está mais amorfo, comparada com os colmos. No geral, os resutados mostraram que as diferentes gramíneas possuem muita similaridade química-estrutural, fato que deve possibilitar o uso de um mesmo processo de hidrólise, independentemente da fonte. / The search for renewable fuels has been increasing in the modern world, due to this worring about the reduction in the volume of emissions of greenhouse. In this study we describe the physical-chemical and spectroscopic characterization and the grass potential in generating 2G Ethanol (Sorgum, Marandu, Elephant and Mombaça). The plant matrices were characterized by different techniques, including Elemental Analysis, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) 13C, X-ray diffraction (XRD), infrared spectroscopy with Fourier transform (FTIR), scanning electron microscopy coupled with energy dispersive detector (SEM-EDS). The extracted components were evaluated by high performance liquid chromatography (HPLC) and spectroscopy of electronic absorption (UV-VIS). Sugarcane bagasse showed higher C content with 45.0%, the stem Marandugrass had the higher O with 46.1%; H concentration for all materials were closer than 5%; the Marandugrass leaves showed 4.5% of the sulfur content; leaves Elephantgrass and sorghum showed higher N which had the average 2%. Analyses of lignocellulosic composition by acid way showed that stems contain higher concentrations of cellulose, hemicellulose and lignin, since leafs presented higher contents of inorganics (ash). NMR analyses of the raw materials showed the same tendence of organic composition. XRD showed higher content of cristaline cellulose in the stem, as well as, the presence of silicate materials in the leafs. FTIR indicated the major stems signal intensities of the bands in the region of polysaccharides (1030-1100 cm-1). The leaves had a peculiar C-O-C signal connection in the form of sharp carbonates in the region 1380 cm-1. It was also used the Van Soest melthod regaring to general characterization of the biomass, but the resultas were not comparable to the acid way method, because it overvalues the cellulose contents and undervalues the lignin ones. By the SEM images, they were identified internal structures of the studied materials, proving the system of the ordenated plant fibers. Despite leafs presented lower contents of cellulose, this polysacharide is amorfous, comparing to stems. In general, results showed that these different grasses have chemical-structural similarities, which probably makes possible the use of the same hydrolysis process, independently of the biomass source.

Submitted by NATÁLIA GONÇALVES TAKAHASHI GONÇALVES TAKAHASHI (naty_taka@hotmail.com) on 2017-06-07T16:14:24Z No. of bitstreams: 2 Dissertação_Natália_Gonçalves_Takahashi.pdf: 2126549 bytes, checksum: 2e4e7bc6e6b87efa3e00671b6137371c (MD5) Dissertação_Natália_Gonçalves_Takahashi.docx: 17831 bytes, checksum: 978787158c35816170d4451246ee80c5 (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-06-07T16:29:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 takahashi_ng_me_jabo.pdf: 2126549 bytes, checksum: 2e4e7bc6e6b87efa3e00671b6137371c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-07T16:29:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 takahashi_ng_me_jabo.pdf: 2126549 bytes, checksum: 2e4e7bc6e6b87efa3e00671b6137371c (MD5) Previous issue date: 2017-06-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A busca pela diversificação de fontes da matriz energética, priorizando fontes renováveis, acarreta no maior consumo de etanol de primeira geração, podendo este ser insuficiente em suprir a necessidade da frota brasileira. Dessa forma, o etanol de segunda geração (E2G) surge como uma alternativa para aumento da produção de combustíveis renováveis. Ele é produzido a partir da fermentação dos resíduos de glicose após a quebra da celulose presente na biomassa vegetal. Contudo, além da celulose, a biomassa vegetal é também composta pela lignina, composto considerado recalcitrante no processo de obtenção deste tipo de etanol. Para transpor este obstáculo, é necessário encontrar maneiras de diminuir a quantidade ou modificar a composição da lignina. Fatores de transcrição (FTs) são alvos altamente promissores para a modificação deste polímero, uma vez que estão envolvidos com a regulação de sua via de biossíntese, bem como, da formação de toda parede celular secundária (PCS). Plantas de arroz transformadas para a superexpressão de AtSHN2 de Arabdopsis, apresentaram uma diminuição na quantidade de lignina e mostraram uma modulação na via de celulose, enquanto que a superexpressão do outro gene SHN de Arabidopsis (AtSHN1) em Arabidopsis apresentou uma modificação na via de biossíntese de cera e cutina. Isto ressalta a necessidade de avaliar os FTs de maneira espécie-específica. Assim sendo, este trabalho vem com o objetivo de ajudar a elucidar os mecanismos de funcionamento do FT SHINE (SHN), considerado um potencial regulador da PCS em gramíneas. Para a caracterização do FT SbSHN em sorgo foi primeiramente realizado um alinhamento de sequências de aminoácidos, contendo as proteínas codificadas pelos dois genes SHN em sorgo (SbSHN1 – Sb04g006970 e SbSHN2 – Sb10g023600) com outras sequências SHN disponíveis na literatura. Em seguida foi gerada uma árvore filogenética contendo todos esses mesmos SHN. Após isso, foi realizada a clonagem do FT SbSHN1 em vetor comercial pENTR/D-TOPO (Invitrogen), após verificação, a sequência foi recombinada com vetores de destino. Primeiramente, com o vetor pDEST15 para a expressão heteróloga da proteína SHN em E. coli.. De maneira complementar foi produzido um peptídeo sintético para reconhecimento da proteína SbSHN (anticorpo antiSHN). Posteriormente foi produzido um vetor contendo a sequencia de SHN em fusão com GFP, que foi utilizado para agroinfiltração de folhas de N. benthamiana, a fim de observar a localização subcelular do FT SbSHN. Para determinação da expressão através de qPCR em sorgo foram utilizados a folha, dividida em base e ponta, e a inflorescência, imatura e madura. Além disso, foi realizada a imunoprecipitação de cromatina (ChIP) das inflorescências imaturas e maduras de sorgo, com posterior análise inicial por ChIPqPCR para validação de alguns alvos de SbSHN. Como resultados, através da expressão heteróloga foi produzida uma proteína com massa de aproximadamente 52kDa (massa da proteína SHN adicionada de cauda GST), que foi reconhecida pelo anticorpo antSHN produzido. Foi confirmada a presença do FT SbSHN no núcleo celular, através de observação das folhas transformadas por agroinfiltração. As inflorescências imaturas de sorgo apresentaram maior expressão tanto de SbSHN1 quanto de SbSHN2. Com a técnica de ChIPqPCR foi possível validar in vivo os alvos SbNAC91 (Sb07g001550), SbNAC115 (Sb10g000460), SbMYB87 (Sb07g024970) e SbMYB60 (Sb04g031110) do FT SbSHN em sorgo. Em uma perspectiva de longo prazo, acredita-se que o conhecimento obtido a partir destes estudos não só fornecerão informações importantes sobre a função dos reguladores SHN em todo o reino vegetal, mas também fornecer uma poderosa ferramenta para a engenharia metabólica de compostos fenólicos e lignina por meio de melhoramento convencional ou abordagens transgênicas, impactando diretamente sobre a produção de E2G. / The search for alternative sources of the energy, prioritizing renewable sources, increase the consumption of first generation ethanol, which could not be enough to supply the needs of the Brazilian flex fuel car fleet. In this scenario, second generation ethanol (E2G) appears as an alternative to increase production of renewable fuels. E2G it is produced from the fermentation of glucose residues after breaking the cellulose present in the plant biomass. However, adhered to the cellulose is lignin, a compound considered recalcitrant in the process of obtaining this type of ethanol. To overcome this obstacle, it is necessary to find ways to decrease the amount or modify the lignin composition. Transcription factors (TFs) are highly promising targets for the modification of this polymer, since they are involved in the regulation of its biosynthesis pathway, as well as the formation of the whole secondary cell wall (PCS). Rice plants transformed for the overexpression of AtSHN2 from Arabidopsis showed a decrease in the amount of lignin and a modulation of cellulose pathway whereas the overexpression of another gene of SHN (AtSHN1) in Arabidopsis showed a modification in the biosynthesis pathway of wax and cutin. This highlights the need to evaluate TFs in a species-specific manner. Basing on this, the present work has the objective of helping to elucidate the mode of action of TF SHINE (SHN), considered a potential regulator of PCS in grasses. Aiming to characterize SbSHN TF in sorghum, initially an alignment was performed using amino acid sequence of proteins encoded by the two SHN genes in sorghum (SbSHN1 - Sb04g006970 and SbSHN2 - Sb10g023600) with other SHN sequences available in the literature. Then a phylogenetic tree containing all these SHN sequences was generated. After that, the SbSHN1 FT was cloned into commercial vector pENTR / D-TOPO (Invitrogen) and later used to recombinate in different destination vectors using gateway system. First, the vector pDEST15 was used for the production of heterologous expression in E. coli. Complementary, a synthetic peptide was produced for recognition of the SbSHN protein (antiSHN antibody). In parallel, the vector pK7WGF2 was used to obtain SHN phusioned to GFP. This vector was transientilly expressed in leaves of N. benthamiana in order to observe the subcellular location of SbSHN TF. Complementary, to determine the expression through qPCR, sorghum leaves, were splitted in base and tip, and the inflorescence, in immature and mature developmental stages, were used. In addition, chromatin immunoprecipitation (ChIP) of immature and mature sorghum inflorescences was performed, with initial analysis by ChIPqPCR for validation of some SbSHN targets. As results, through heterologous expression, a protein with mass of approximately 52kDa (mass of the SHN protein added with GST tail) was obtained, which was recognized by the antiSHN antibody produced. The presence of SbSHN TF in the cell nucleus was confirmed by observation of the transformed leaves by agroleakage. The immature inflorescences of sorghum presented higher expression level of both SbSHN1 and SbSHN2 genes. With the ChIPqPCR technique it was possible to validate in vivo some SHN targets such as: SbNAC91 (Sb07g001550), SbNAC115 (Sb10g000460), SbMYB87 (Sb07g024970) and SbMYB60 (Sb04g031110) in sorghum. In a long-term perspective, we believe that the knowledge gained from these studies will not only provide important information about the function of SHN as a master regulators throughout the plant kingdom, but also provide a powerful tool for the metabolic engineering of phenolic compounds and lignin using conventional breeding or transgenic approaches, directly impacting the production of E2G.

A fim de contornar a problemática imposta pela recalcitrância da parede celular à hidrólise, o processo de produção de etanol a partir de biomassa vegetal requer um passo denominado de pré-tratamento, que consiste em tornar a biomassa mais acessível à ação de glicosil hidrolases que atacam a parede celular. O melhor conhecimento de processos de degradação de parede operados pela própria planta tem o potencial de direcionar as pesquisas em bioernegia, indicando quais os mecanismos mais eficientes para desmontar o complexo de polímeros da parede celular. Cunhado pré-tratamento biológico, este consiste na hidrólise de polissacarídeos estruturais empregando mecanismos e elementos chave de processos de degradação de parede celular que ocorrem na própria planta. Um exemplo de evento com esta característica é a formação de aerênquima lisígeno, que consiste na abertura de espaços de gás em tecidos parenquimáticos. A formação do aerênquima em cana-de-açúcar se dá de forma modular, sendo o processo constituído por seis etapas: 1) percepção do sinal inicial; 2) separação celular: 3) expansão celular; 4) morte celular programada; 5) hidrólise de hemiceluloses e 6) hidrólise de celulose. O presente trabalho teve como principal foco estudar a regulação das duas etapas iniciais, visando obter conhecimentos que possibilitem para tornar a biomassa de cana de açúcar menos resistente à penetração de enzimas. O aerênquima ocorre na raiz de cana-de-açúcar por um processo constitutivo. Sua independência de um indutor externo foi corroborada mediante tratamento com nutrientes e inibidor da percepção por etileno (1-MCP) pela análise dos cinco centímetros mais apicais da raiz. O atraso na formação do aerênquima após tratamento com nutrientes levou à expressão diferencial de genes relacionados à degradação de parede celular, morte celular programada e sinalização por etileno. Por outro lado, o 1-MCP não afetou visivelmente a formação do aerênquima, porém alterou o balanço hormonal na raiz. O padrão transcricional das raízes tratadas com 1-MCP revelou aumento da expressão de genes relacionados à expansão celular e estresse oxidativo. Tais padrões são discutidos à luz da regulação hormonal da formação do aerênquima através do estabelecimento de um balanço hormonal definido entre auxina e etileno. Ambos os experimentos levaram à seleção de quatro genes candidatos: dois fatores de transcrição (ScRAV1 e ScERF1) e duas glicosil hidrolases (ScEPG1 e ScARA1), sequenciados e analisados quanto à diversidade hom(e)óloga, sequências promotoras e estrutura gênica em comparação a S. bicolor. A topologia das reconstruções filogenéticas e a distribuição diferencial de sítios para RAV e ERF nos promotores de ScEPG1 e ScARA1 não parece refletir padrões de expressão distintos, visto que os diferentes hom(e)ólogos demonstraram ser igualmente expressos. Em sistema heterólogo, o fator de transcrição RAV apresentou atividade repressora sobre o promotor de ScEPG1. Tal papel de RAV sugere regulação negativa sobre a degradação da lamela média e sobre o processo de perda de adesão e separação celular. A identificação de reguladores-chave da formação do aerênquima consiste em importante elo entre a sinalização hormonal e a degradação de parede celular, possibilitando a melhor compreensão dos mecanismos de controle da degradação endógena de parede celular. Os dados produzidos possibilitam a aplicação biotecnológica dos genes sequenciados, além de consistirem em significativo avanço no conhecimento sobre a fisiologia do processo estudado e na dinâmica da regulação da expressão gênica acoplada a aspectos filogenéticos das sequências alvo. / In order to circumvent the problems imposed by the cell wall recalcitrance to hydrolysis, the process underlying biofuel production requires a step called pretreatment, aimed at making biomass more accessible to the action of glycosil hydrolases that attack the cell wall. The increased knowledge of wall degradation processes operated by the plant itself has the potential to influence research in the bioernergy field, pointing out the most efficient mechanisms to disassemble the cell wall complex polymeric structure. The term coined biological pretreatment means taking advantage of key elements and mechanisms of cell wall degradation processes occurring in the plant itself in order to disassemble the entangled polysaccharide structure. One example of endogenous cell wall degradation process is the lysigenous aerenchyma formation, which consists in the opening of gas spaces in parenchyma tissue. The aerenchyma formation in sugarcane is thought to be a modular process that occurs in six steps: 1) target cells perception; 2) cell separation; 3) cell expansion; 4) programmed cell death; 5) hemicellulose hydrolysis and 6) cellulose hydrolysis. This work has as the main objective to study the regulation of the two initial steps, aiming at acquiring knowledge that would afford to turn biomass less resistant to enzyme penetration. The aerenchyma develops within the roots of sugarcane as a constitutive process. Its independence from an external inducer was corroborated in this work by subjecting sugarcane plants to treatment with nutrients and one inhibitor of ethylene perception (1-MCP) when the five more apical centimeters of the root were analyzed. After treatment with nutrients, the delayed aerenchyma formation led to differential expression of cell wall degradation-, programmed cell death- and ethylene signalling-related genes. Under visual inspection, 1-MCP did not show effect on aerenchyma development. Instead, it changed the hormone balance mainly in the two most apical root segments. The transcriptional pattern of 1-MCP treated roots revealed increased expression of cell expansion- and oxidative stress-related genes. Such patterns are discussed in the light of the hormone regulation of the aerenchyma development through the establishment of a balance between auxin and ethylene within root segments. Both experiments led to the selection of four two candidate genes, two transcription factors (ScRAV1 and ScERF1) and two glycosil hydrolases (ScEPG1 and ScARA1), that were sequenced and analyzed regarding homEURologous diversity, promoter sequences and gene structure compared to S. bicolor. The topology of the phylogenetic reconstructions and the differential distribution of sites for RAV and ERF within ScEPG1 and ScARA1 promoters did not reflect distinct expression patterns. Different hom(e)ologous of each target gene were equally expressed. In an heterologous system, RAV transcription factor interacted with ScEPG1 promoter, reducing the activity encoded by the reporter gene. This suggests the repressive role of RAV on pectin degradation within the middle lamella, leading to reduced cell adhesion and cell separation, possibly regulated by this glycosyl hydrolase. The identification of key regulators of the aerenchyma formation is an important link between hormone signaling and the wall degradation within the sugarcane roots. It enables a better understanding of control mechanisms underlying wall modifications when performed by the plant itself. Altogether, the data produced in this work allows biotechnological application of sequenced genes. Moreover, the produced data unveil key aspects regarding physiologycal aspects of aerenchyma development and highlights features related to the dynamics of gene expression in sugarcane coupled to the phylogenetic aspects of the four target sequences.

Petroleum and its derivatives make up the largest portion of Brazil’s current energy matrix. It is well known that these are non-renewable and pollution-causing sources of energy; as such, the last decades have been marked by research and development of new, cleaner technologies. One of them being the hydrolysis of lignocellulosic materials to produce bioethanol. Brazil has an ample variety and large volumes of lignocellulosic biomass like corn husk and corncob. However, these biomass sources have complex structures which give rise to difficulties during the posterior stages of hydrolysis. Thus, it becomes necessary to conduct a pretreatment in order to alter these complex structures and make them more accessible to attack by microorganisms and enzymes. This work investigated two pretreatment methods for biomass coming from corn husk and corncob: pretreatment with dilute sulfuric acid and hydrothermal pretreatment; aiming to determine which method was more suitable for the given experimental conditions. An experimental design method was used to determine the best operating conditions for the acid pretreatment. Chemical characterization was used to evaluate the efficiency of the hydrothermal pretreatment. Both biomass sources were analyzed via Superior Calorific Power (SCP) resulting in17.276,5 J/g for corn husk and 17.872,0 J/g for corncob. Regarding the hydrothermal pretreatment, results showed reduction of the three components of biomass: cellulose, hemicellulose and lignin. Ideally, cellulose should not be degraded during the pretreatment. Therefore, the conditions leading to the lowest cellulose removal were determined: corn husk pretreatment at 170°C for 15 minutes and corncob pretreatment at 195°C for 10 minutes. The factors evaluated during the sulfuric acid pretreatment were: concentration, heating time and temperature. The two-variable factorial experiment with three replicates suggested that the highest reduced sugar percentages are obtained with low acid concentrations and high temperatures. Moreover, time was not a significant factor. Test 3 and 12 yielded the best results for both sources of biomass. The conditions for test 3 were: 120°C, a 15 minutes heating time and 0,5% sulfuric acid which resulted in 50,9% reduced sugars for corn husk and 42,6% for corncob. The conditions for test 12 were: 110°C, a 7 minutes heating time, and 2% sulfuric acid which resulted in 59,4% reduced sugars for corn husk and 61,5% for corncob. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No panorama energético atual, nota-se que a utilização do petróleo e seus derivados ainda têm representado a maior fonte de energia em nosso país. Visto que essas fontes são não renováveis e poluentes, a necessidade de utilização de outras rotas, que sejam mais limpas, tem crescido ao longo dos anos. Quando se trata de materiais lignocelulósicos para a produção do bioetanol, encontra-se uma ampla variedade de biomassas, como é o caso da palha e do sabugo do milho. Porém essas biomassas possuem uma estrutura complexa, que dificulta as etapas posteriores de hidrólise. Logo, torna-se imprescindível a realização de um pré-tratamento que irá alterar essa estrutura, tornando-a mais acessível ao ataque de microrganismos e enzimas. Nesse trabalho, dois tipos de pré-tratamentos foram estudados, o pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído e o pré-tratamento hidrotérmico, com o intuito de avaliar o mais viável, levando em conta todos os fatores envolvidos. O planejamento experimental foi uma ferramenta utilizada para a escolha das melhores condições operacionais do pré-tratamento com ácido diluído. Uma caracterização química foi realizada para avaliar a eficiência do pré-tratamento hidrotérmico. Análises de poder calorífico superior (PCS) também foram realizadas com as duas matérias-primas e os resultados do PCS foram de 17.276,5 J/g para a palha de milho e de 17.872,0 J/g para o sabugo. Em relação ao pré-tratamento hidrotérmico realizado, os resultados mostraram redução nos três componentes: celulose, hemicelulose e lignina. O¬¬¬¬ ideal é que a celulose sofra desorganização, contudo que não seja degradada, porém aqui se avaliou a melhor condição pela menor remoção de celulose, que foi dada com o pré-tratamento da palha de milho sob as condições de 170°C por 15 minutos e com o pré- tratamento do sabugo sob as condições de 195°C por 10 minutos. Já com relação ao pré-tratamento ácido, que ocorreu com utilização dos fatores: concentração de ácido sulfúrico, temperatura e tempo de aquecimento, um planejamento experimental em estrela com triplicata no ponto central mostrou que maiores percentuais de ART são dados quando se trabalha com baixas concentrações de ácido e elevadas temperaturas, na faixa investigada. O fator tempo não se mostrou significativo. As melhores condições foram obtidas nos ensaios 3 e 12 para ambas as biomassas. Com a temperatura de 120°C, tempo de 15 minutos e 0,5% de concentração de ácido sulfúrico, condição 3, obteve-se 50,9% de ART para a palha e 42,6% para o sabugo. Já com a temperatura de 110°C, tempo de 7 minutos e 2% de ácido, que foi a condição 12, obteve-se 59,4% de ART para a palha e 61,5% para o sabugo.