O Brasil, segundo maior produtor mundial de biocombustíveis, produz etanol a partir da extração e fermentação de sacarose de colmos de cana-de-açúcar. A utilização da energia presente nas ligações químicas entre os carboidratos da parede celular (celulose, hemiceluloses e pectina), das biomassas de folha e bagaço (hoje ambos considerados resíduos de produção), é uma possibilidade para o incremento, de cerca de 3 vezes o valor atual, na produção de etanol. O entendimento da estrutura química dos polissacarídeos da parede celular de cana-de-açúcar é imprescindível para que esta tecnologia seja desenvolvida. O presente trabalho teve como objetivo isolar as hemiceluloses de colmo de cana-de-açúcar e estudar as suas estruturas químicas. Para tal, utilizou-se AIR (Alcohol Insoluble Residue) - parede celular sem açúcar solúvel - de colmo e folha de cana-de-açúcar SP80-3280 em hidrólises enzimáticas com endo-β-xilanase, liquenase e celulase isoladamente ou em conjunto de forma a determinar a estrutura fina dos polímeros atacáveis por tais hidrolases. O AIR de colmo também foi submetido ao fracionamento da parede celular com oxalato de amônio, seguido de extrações com 1M e 4M de NaOH para a separação das hemiceluloses. Somente as frações 1M e 4M de NaOH foram analisadas, através de hidrólises com endo-β-xilanases, seguido da análise dos oligossacarídeos resultantes por HPAEC-PAD (High Performance Anionic Exchange Chromatography with Pulsed Amperometric Detection) e por espectrometria de massas MALDI-TOF. Paralelamente, grupos de oligossacarídeos provenientes de hidrólises do colmo com endo-β-xilanase foram isolados por cromatografia em camada delgada (TLC) preparativa e, em seguida, hidrolisados com α-arabinofuranosidases e analisados por PACE (Polyacrylamide Carbohydrate Electrophoresis) para o esclarecimento da estrutura fina de arabinoxilanos. Os resultados obtidos mostraram a presença de xiloglucano na fração NaOH 4M em pequena proporção, cerca de 3% da parede celular, sendo este xiloglucano de 2 tipos: estrutura fina típica de gramíneas (composta por glucose, e os oligossacarídeos isoprimeverose, XG, XXG, XXGG, XXGGG) e estrutura fina de eudicotiledôneas e monocotiledôneas não-comelinóides (composta por oligossacarídeos: XXXG, XLXG/XXLG, XXXXG). A análise por MALDI-TOF da hidrólise das frações 1M e 4M de colmo de cana-de-açúcar com endo-β-xilanase revelou a existência de xilanos lineares (série homóloga de xilanos) em conjunto com um grupo de xilanos ramificados com arabinose de forma regular, com motivos arabinosilados com até 6 xiloses na cadeia principal. As hidrólises com endo-β-xilanase e liquenase em conjunto revelaram que o arabinoxilano e o β-glucano, juntos, perfazem cerca de 40% da parede celular de cana-de-açúcar, e não interferem na hidrólise uma da outra, permitindo o uso concomitante das enzimas em processos industriais. Além disso, especula-se que as arabinoses do arabinoxilano interagem, possivelmente, através de ligações por compostos fenólicos, prevenindo a ação enzimática. O presente trabalho começa a desvendar a estrutura fina das principais hemiceluloses da parede celular de colmo de cana-de-açúcar e aponta para a necessidade de experimentos que permitam compreensão de outros níveis de complexidade da parede celular, como por exemplo, as ramificações com agliconas e interações entre os polissacarídeos. / Brazil is the second-generation ethanol producer in the World, obtaining it from sugarcane soluble sugar from culms. The second generation ethanol consists of using the energy present in the covalent linkages of the cell wall carbohydrates (cellulose, hemicelluloses and pectin) from culms and leaves (both considered nowadays as litter). This is considered as a great opportunity to increase ethanol production up to 3 times the current figures. The knowledge about sugarcane polysaccharide structure is crucial for the development of the second-generation ethanol technology. This work, aimed at the isolation and structural studis of the hemicellulosic components of the sugarcane cell walls. To achieve this, AIR (Alcohol Insoluble Residue) from culms and leaves (SP 80-3280 variety) were digested with endo-β-xylanase, lichenase and cellulase (in different sequences, or with isolated or combined enzymes) to help determining the fine structures of the polysaccharides. The AIR from culm was fractionated with increasing alkali concentrations (NaOH 0,1M, 1M and 4M) to purify the different hemicelluloses. Only the 1M and 4M fractions were analyzed, after digestions with endo-β-xylanase, followed by HPAEC-PAD (High Performance Anionic Exchange Chromatography with Pulsed Amperometric Detection) and MALDI-TOF Mass Spectrometry analyses. Also, the oligosaccharides obtained by the endo-β-xylanase digestion were isolated by preparative TLC (Thin Layer Chromatography), re-digested with α-arabinofuranosidases and finally analyzed by PACE (Polyacrylamide Carbohydrate Electrophoresis) in order to clarify the fine structure of the arabinoxylan from sugarcane culm. The same fractionated material was digested by an endo-β-glucanase to clarify the xyloglucan structure. The results showed that in the 4M fraction, a small concentration of xyloglucan can be found (ca. 3% of the total hemicelluloses), and this polysaccharide has the typical grass structure: XG, XXG, XXGG and XXGGG/XLGG. Other oligosaccharides, typical from eudicotyledons were also found: the XXXG, XLXG/XXLG and XXXXG. The MALDI-TOF and PACE analyses performed after digestion with endo-β-xylanase and α-arabinofuranosidases, revealed the presence of linear xylan oligosaccharides (from 2 to 14) and also fragments with arabinose substitutions. The digestions with endo-β-xylanase and lichenase at the same time, revealed that the arabinoxylan and β-glucans, are 40% of all the sugarcane cell wall mass, and one enzyme does not interfere in the activity of the other. The present work starts to clarify the fine structure of the sugarcane culm (and leaves) major hemicelluloses, and also suggest that experiments aimed at understanding cell wall complexity are important steps to help developing efficient cellulosic ethanol technologies to obtain second generation ethanol from sugarcane biomass.

Existe grande demanda pelo etanol de cana-de-açúcar. Para suprir essa demanda, uma forma é o aumento de produtividade pelo etanol de 2ª geração proveniente da palha. A remoção dessa palha pode alterar atributos químicos e físicos do solo. O objetivo deste trabalho foi caracterizar o solo e avaliar os impactos da manutenção de diferentes quantidades de palha de cana-de-açúcar nos atributos químicos e físicos do solo. O experimento foi conduzido próximo a Capivari - SP na unidade Bom Retiro (BR) e próximo a Valparaiso - SP na unidade Univalem (UV). O tipo de solo de cada área experimental foi, respectivamente, Latossolo Vermelho distrófico típico e Argissolo Vermelho-Amarelo distrófico típico. O delineamento utilizado foi blocos ao acaso com seis tratamentos e quatro repetições. Os tratamentos testados foram as seguintes quantidades de palha em Mg ha-1 de massa de matéria seca: BR (0; 3,4; 7,8; 13,0; 16,6; 15,6) e UV (0; 4,2; 8,7; 15,1; 18,9; 23,3). Foram avaliados atributos químicos e físicos tais como teor e estoques de carbono, fracionamento da matéria orgânica dos solos, pH e resistência do solo à penetração. As camadas avaliadas foram diferentes na caracterização (0-10; 10-20; 20-30; 30-40; 40-50; 50-60; 60-80 e 80-100 cm) e após 1 ano de efeito da palha (0-5 e 0-10 cm). Os resultados demonstraram que os solos não apresentavam variações significantes nos teores de macronutrientes e C no momento de implantação dos experimentos, indicando que dentro de cada área experimental o solo era homogêneo e, portanto, adequado para implantação do experimento. Transcorrido um ano de experimento, as diferentes quantidades de palha não alteraram os teores de C (independente da profundidade avaliada) e nem a distribuição das frações da MOS. Desta forma, conclui-se que os efeitos da retirada da palhada de cana-de-açúcar nos atributos químicos e físicos do solo, se existirem, serão expressos em um tempo maior de condução do experimento. Essa consideração pode ser colocada também para pH e resistência à penetração / Globally, there is increasing demand for sugarcane ethanol. To meet this demand, one way is to increase productivity by 2nd generation ethanol using sugarcane straw as feedstock. Straw removal management can change the chemical and physical soil properties. The aim of this study was to characterize the soil and assess the impacts of maintenance of different amounts of sugarcane straw on soil chemical and physical properties. Two experiments were conducted near Capivari - SP in Bom Retiro mill (BR) and close to Valparaiso - SP in Univalem mill (UV). The soil type of each experimental area was, respectively, a Rhodic Kandiudox (USDA Soil Taxonomy) and a Kanhaplic Haplustults (USDA Soil Taxonomy). The experimental design used was a randomized blocks with six treatments and four replications. The treatments were the following amounts of straw in Mg ha-1 of dry matter: BR (0, 3.4, 7.8, 13.0, 16.6, 15.6) and UV (0, 4 2, 8.7, 15.1, 18.9, 23.3). Soil chemical and physical attributes were assessed, such as content and carbon stocks, fractionation of soil organic matter, pH and soil resistance to penetration. Soil sampling was performed for the 0-10; 10-20; 20-30; 30-40; 40-50; 50-60; 60-80 and 80-100 cm layers in the soil characterization (base line) and after 1 year of effect of straw, soil was sampled at 0-5 and 0-10 cm depth. Our results showed that the soils had no significant variation in the macronutrient and C contents and C at the time of implantation of the experiments, indicating that the soil in each experimental area was homogeneous and therefore suitable for implementation of the experiment. After one year of experiment, different amounts of straw did not alter the contents of C (regardless of the assessed depth) nor the distribution of SOM fractions. Thus, we concluded that the effects of the sugarcane straw removal on soil chemical and physical attributes, if any, it should be expressed in a long-term experiment

O principal objetivo deste trabalho foi avaliar o impacto de diferentes condições de processo no preço mínimo de venda do etanol produzido via hidrólise enzimática de bagaço da canade- açúcar. Para alcançar este objetivo o trabalho foi separado em três partes, a primeira para a modelagem das reações envolvidas no processo, a segunda para o dimensionamento dos equipamentos principais e a terceira para a avaliação econômica do projeto. Dessa forma, foi realizada a modelagem cinética das reações de pré-tratamento por explosão a vapor do bagaço de cana, da hidrólise enzimática do bagaço pré-tratado e da fermentação de xilose, os modelos obtidos foram utilizados para o dimensionamento de cada sistema reacional. Os dados experimentais para o pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação de xilose foram obtidos da literatura. Todos os modelos propostos ajustaram adequadamente os dados experimentais de tal forma que os parâmetros cinéticos calculados foram estatisticamente significativos. O sistema de pré-tratamento foi projetado para operar em regime contínuo em reatores tubulares (PFR) e a hidrólise enzimática para operar em regime contínuo em reatores tipo tanque agitado (CSTR) e tubular em série. O sistema CSTR-PFR para a hidrólise enzimática é promissor para a realização desta reação, pois permite obter elevadas conversões em tempos de reação menores que aqueles necessários para os reatores CSTR. Neste sistema é possível alcançada a conversão de 74,3 % da celulose operando o CSTR e o PFR com tempo espacial de 24 h e 72 h, respectivamente. Foi possível avaliar o impacto das condições de pré-tratamento no dimensionamento do sistema de hidrólise enzimática. Além disso, o efeito da concentração inicial de bagaço e enzimas no rendimento de hidrólise enzimática foi avaliado frente aos resultados econômicos. A avaliação dos custos de capital foi realizada via curvas de custo de equipamentos. As diferentes condições de processo estudadas foram comparadas pela determinação do preço mínimo de venda do etanol (PMVE) obtido através da metodologia do lucro do empreendimento (LE). A avaliação econômica do processo mostrou que as condições que podem minimizar o PMVE são: realização do pré-tratamento a 200 °C por 5 min; realização da hidrólise enzimática com concentração inicial de celulose igual a 9,1 % (m/m) ou aproximadamente 17 % (m/m) de bagaço de cana, tempo espacial nos reatores CSTR e PFR de 24 h e 48 h, respectivamente; dosagem de enzimas igual a 40 FPU/g para celulase e 15 U/g para -glicosidase; capacidade de processamento da planta maior que 500 t/dia de bagaço (base seca) e necessariamente a utilizar da fração hemicelulósica para a produção de etanol. Operando nestas condições para uma planta com capacidade para 1000 t/dia o PMVE foi estimado em R$ 5,79 por litro. Dessa forma, este trabalho atingiu seus objetivos fornecendo subsídios para a escolha das condições mais favoráveis para a redução do PMVE, no entanto para a viabilização deste processo de produção de etanol outras configurações de processo devem ser estudas visando a redução dos custos de investimento e produção. / The main objective of this study was to evaluate the impact of different process conditions on the minimum selling price of ethanol via enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse. To achieve this objective the work was separated into three parts, the first to model the reactions involved in the process, the second for the design of major equipment and the third for the economic evaluation of the project. Thus, we performed kinetic modeling of reactions pretreatment by steam explosion of bagasse, the enzymatic hydrolysis of pretreated bagasse and fermentation of xylose, the obtained models were used for the design of each reaction system. The experimental data for the pretreatment, enzymatic hydrolysis and fermentation of xylose were obtained from literature. All the proposed models adequately fitted the experimental data so that the kinetic parameters calculated were statistically significant. The system of pretreatment is designed to operate under a continuous tubular reactor (PFR) and enzymatic hydrolysis to operate in a continuous stirred tank reactor (CSTR) and tubular in series. The CSTR-PFR system for the enzymatic hydrolysis is promising to carry out this reaction, because it offers high conversions in shorter reaction times than those required for CSTR reactors. This system can achieved 74.3% conversion of cellulose operating the CSTR and PFR with space-time 24 h and 72 h, respectively. It was possible to assess the impact of the conditions of pretreatment in the design system of enzymatic hydrolysis. Furthermore, the effect of initial concentration of bagasse and enzymes on yield of enzymatic hydrolysis was evaluated in the face of economic results. The evaluation of capital costs was done through cost curves of equipment. The different process conditions studied were compared by determining the minimum ethanol selling price (MESP) obtained through the methodology of the venture profit (VP). The economic evaluation process showed that the conditions that can minimize the MESP are: completion of pre-treatment at 200 ° C for 5 min; completion of the enzymatic hydrolysis with initial concentration of cellulose of 9.1% (w / w) or about 17% (w / w) of bagasse, time in the reactors CSTR and PFR 24 h and 48 h, respectively, enzyme dosage of 40 FPU / g for cellulase and 15 U / g for -glucosidase; capacity processing plant more than 500 tonnes per day of bagasse (dry basis) and necessarily to use the hemicellulose fraction to ethanol production. Operating in these conditions for a plant with a capacity of 1000 t / day, the MESP was estimated at R$ 5.79 per liter. Thus, this work achieved its objectives by providing subsidies to select the most favorable conditions for the reduction of MESP, but for the viability of this process of ethanol production process of other settings should be studied in order to reduce investment costs and production.

O principal objetivo deste trabalho foi avaliar o impacto de diferentes condições de processo no preço mínimo de venda do etanol produzido via hidrólise enzimática de bagaço da canade- açúcar. Para alcançar este objetivo o trabalho foi separado em três partes, a primeira para a modelagem das reações envolvidas no processo, a segunda para o dimensionamento dos equipamentos principais e a terceira para a avaliação econômica do projeto. Dessa forma, foi realizada a modelagem cinética das reações de pré-tratamento por explosão a vapor do bagaço de cana, da hidrólise enzimática do bagaço pré-tratado e da fermentação de xilose, os modelos obtidos foram utilizados para o dimensionamento de cada sistema reacional. Os dados experimentais para o pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação de xilose foram obtidos da literatura. Todos os modelos propostos ajustaram adequadamente os dados experimentais de tal forma que os parâmetros cinéticos calculados foram estatisticamente significativos. O sistema de pré-tratamento foi projetado para operar em regime contínuo em reatores tubulares (PFR) e a hidrólise enzimática para operar em regime contínuo em reatores tipo tanque agitado (CSTR) e tubular em série. O sistema CSTR-PFR para a hidrólise enzimática é promissor para a realização desta reação, pois permite obter elevadas conversões em tempos de reação menores que aqueles necessários para os reatores CSTR. Neste sistema é possível alcançada a conversão de 74,3 % da celulose operando o CSTR e o PFR com tempo espacial de 24 h e 72 h, respectivamente. Foi possível avaliar o impacto das condições de pré-tratamento no dimensionamento do sistema de hidrólise enzimática. Além disso, o efeito da concentração inicial de bagaço e enzimas no rendimento de hidrólise enzimática foi avaliado frente aos resultados econômicos. A avaliação dos custos de capital foi realizada via curvas de custo de equipamentos. As diferentes condições de processo estudadas foram comparadas pela determinação do preço mínimo de venda do etanol (PMVE) obtido através da metodologia do lucro do empreendimento (LE). A avaliação econômica do processo mostrou que as condições que podem minimizar o PMVE são: realização do pré-tratamento a 200 °C por 5 min; realização da hidrólise enzimática com concentração inicial de celulose igual a 9,1 % (m/m) ou aproximadamente 17 % (m/m) de bagaço de cana, tempo espacial nos reatores CSTR e PFR de 24 h e 48 h, respectivamente; dosagem de enzimas igual a 40 FPU/g para celulase e 15 U/g para -glicosidase; capacidade de processamento da planta maior que 500 t/dia de bagaço (base seca) e necessariamente a utilizar da fração hemicelulósica para a produção de etanol. Operando nestas condições para uma planta com capacidade para 1000 t/dia o PMVE foi estimado em R$ 5,79 por litro. Dessa forma, este trabalho atingiu seus objetivos fornecendo subsídios para a escolha das condições mais favoráveis para a redução do PMVE, no entanto para a viabilização deste processo de produção de etanol outras configurações de processo devem ser estudas visando a redução dos custos de investimento e produção. / The main objective of this study was to evaluate the impact of different process conditions on the minimum selling price of ethanol via enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse. To achieve this objective the work was separated into three parts, the first to model the reactions involved in the process, the second for the design of major equipment and the third for the economic evaluation of the project. Thus, we performed kinetic modeling of reactions pretreatment by steam explosion of bagasse, the enzymatic hydrolysis of pretreated bagasse and fermentation of xylose, the obtained models were used for the design of each reaction system. The experimental data for the pretreatment, enzymatic hydrolysis and fermentation of xylose were obtained from literature. All the proposed models adequately fitted the experimental data so that the kinetic parameters calculated were statistically significant. The system of pretreatment is designed to operate under a continuous tubular reactor (PFR) and enzymatic hydrolysis to operate in a continuous stirred tank reactor (CSTR) and tubular in series. The CSTR-PFR system for the enzymatic hydrolysis is promising to carry out this reaction, because it offers high conversions in shorter reaction times than those required for CSTR reactors. This system can achieved 74.3% conversion of cellulose operating the CSTR and PFR with space-time 24 h and 72 h, respectively. It was possible to assess the impact of the conditions of pretreatment in the design system of enzymatic hydrolysis. Furthermore, the effect of initial concentration of bagasse and enzymes on yield of enzymatic hydrolysis was evaluated in the face of economic results. The evaluation of capital costs was done through cost curves of equipment. The different process conditions studied were compared by determining the minimum ethanol selling price (MESP) obtained through the methodology of the venture profit (VP). The economic evaluation process showed that the conditions that can minimize the MESP are: completion of pre-treatment at 200 ° C for 5 min; completion of the enzymatic hydrolysis with initial concentration of cellulose of 9.1% (w / w) or about 17% (w / w) of bagasse, time in the reactors CSTR and PFR 24 h and 48 h, respectively, enzyme dosage of 40 FPU / g for cellulase and 15 U / g for -glucosidase; capacity processing plant more than 500 tonnes per day of bagasse (dry basis) and necessarily to use the hemicellulose fraction to ethanol production. Operating in these conditions for a plant with a capacity of 1000 t / day, the MESP was estimated at R$ 5.79 per liter. Thus, this work achieved its objectives by providing subsidies to select the most favorable conditions for the reduction of MESP, but for the viability of this process of ethanol production process of other settings should be studied in order to reduce investment costs and production.

Existe grande demanda pelo etanol de cana-de-açúcar. Para suprir essa demanda, uma forma é o aumento de produtividade pelo etanol de 2ª geração proveniente da palha. A remoção dessa palha pode alterar atributos químicos e físicos do solo. O objetivo deste trabalho foi caracterizar o solo e avaliar os impactos da manutenção de diferentes quantidades de palha de cana-de-açúcar nos atributos químicos e físicos do solo. O experimento foi conduzido próximo a Capivari - SP na unidade Bom Retiro (BR) e próximo a Valparaiso - SP na unidade Univalem (UV). O tipo de solo de cada área experimental foi, respectivamente, Latossolo Vermelho distrófico típico e Argissolo Vermelho-Amarelo distrófico típico. O delineamento utilizado foi blocos ao acaso com seis tratamentos e quatro repetições. Os tratamentos testados foram as seguintes quantidades de palha em Mg ha-1 de massa de matéria seca: BR (0; 3,4; 7,8; 13,0; 16,6; 15,6) e UV (0; 4,2; 8,7; 15,1; 18,9; 23,3). Foram avaliados atributos químicos e físicos tais como teor e estoques de carbono, fracionamento da matéria orgânica dos solos, pH e resistência do solo à penetração. As camadas avaliadas foram diferentes na caracterização (0-10; 10-20; 20-30; 30-40; 40-50; 50-60; 60-80 e 80-100 cm) e após 1 ano de efeito da palha (0-5 e 0-10 cm). Os resultados demonstraram que os solos não apresentavam variações significantes nos teores de macronutrientes e C no momento de implantação dos experimentos, indicando que dentro de cada área experimental o solo era homogêneo e, portanto, adequado para implantação do experimento. Transcorrido um ano de experimento, as diferentes quantidades de palha não alteraram os teores de C (independente da profundidade avaliada) e nem a distribuição das frações da MOS. Desta forma, conclui-se que os efeitos da retirada da palhada de cana-de-açúcar nos atributos químicos e físicos do solo, se existirem, serão expressos em um tempo maior de condução do experimento. Essa consideração pode ser colocada também para pH e resistência à penetração / Globally, there is increasing demand for sugarcane ethanol. To meet this demand, one way is to increase productivity by 2nd generation ethanol using sugarcane straw as feedstock. Straw removal management can change the chemical and physical soil properties. The aim of this study was to characterize the soil and assess the impacts of maintenance of different amounts of sugarcane straw on soil chemical and physical properties. Two experiments were conducted near Capivari - SP in Bom Retiro mill (BR) and close to Valparaiso - SP in Univalem mill (UV). The soil type of each experimental area was, respectively, a Rhodic Kandiudox (USDA Soil Taxonomy) and a Kanhaplic Haplustults (USDA Soil Taxonomy). The experimental design used was a randomized blocks with six treatments and four replications. The treatments were the following amounts of straw in Mg ha-1 of dry matter: BR (0, 3.4, 7.8, 13.0, 16.6, 15.6) and UV (0, 4 2, 8.7, 15.1, 18.9, 23.3). Soil chemical and physical attributes were assessed, such as content and carbon stocks, fractionation of soil organic matter, pH and soil resistance to penetration. Soil sampling was performed for the 0-10; 10-20; 20-30; 30-40; 40-50; 50-60; 60-80 and 80-100 cm layers in the soil characterization (base line) and after 1 year of effect of straw, soil was sampled at 0-5 and 0-10 cm depth. Our results showed that the soils had no significant variation in the macronutrient and C contents and C at the time of implantation of the experiments, indicating that the soil in each experimental area was homogeneous and therefore suitable for implementation of the experiment. After one year of experiment, different amounts of straw did not alter the contents of C (regardless of the assessed depth) nor the distribution of SOM fractions. Thus, we concluded that the effects of the sugarcane straw removal on soil chemical and physical attributes, if any, it should be expressed in a long-term experiment

Ameaças na sustentabilidade do desenvolvimento mundial em consideração ao aquecimento global, a dependência energética e a demanda exponencial pela produção de alimentos têm levado ao crescente interesse por fontes alternativas renováveis de energia como a biomassa vegetal. Neste cenário, a viabilização do etanol sem competição por terra cultivável a partir do bagaço de cana-de-açúcar (BC) pela rota enzimática é peça chave para a produção integrada e sustentável dos biocombustíveis visando otimização de recursos, redução de resíduos e minimização de impactos ambientais negativos. Entretanto, a sua comercialização precisa ser ainda consolidada através da economicidade nos insumos de hidrólise (enzimas celulases) e de uma maior eficiência na etapa de pré-tratamento da lignocelulose. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo contribuir na redução dos custos de produção celulases utilizando um resíduo característico da indústria brasileira, o BC, para produção de celulases específicas através da tecnologia de fermentação em estado sólido com o microorganismo Aspergillus niger. A proposta desenvolvida consiste em bioprocesso com pré-tratamento hidrotérmico do BC condizente a seu uso como substrato fermentativo, complementação deste substrato com 35% de farelo de soja e meio de suplementação com acréscimo de protéicas, umidade de fermentação de 80% e uso de circulação forçada em bioreator de coluna instrumentado visando o balanço hídrico e térmico do processo. As celulases específicas assim produzidas exibiram atividades de FPase: 0,045; CMCase: 1,10; xilanase: 9,17 e \'beta\'-glicosidase:0,33 UI/mL, e sua ação sinérgica sobre o BC explodido resultou na conversão em açúcares redutores de 15% após 22 horas de hidrólise. A direta aplicabilidade e especificidade do coquetel enzimático produzido mostram a proposta do bioprocesso como uma tecnologia de elevado potencial de integração no modelo de produção de etanol celulósico, anexo a uma usina convencional. Esta alternativa de desenvolvimento a maior escala indica uma oportunidade nacional para o crescimento sustentável na produção de bioetanol e a expansão das vantagens associadas com o uso de biocombustíveis no âmbito mundial. / Threats to sustainability of world development in regards to global warming, energy dependence and the exponential demand for food production have led to growing interest in alternative renewable sources of energy such as biomass. In this context, the viability of ethanol from sugar cane bagasse cane (SCB) by enzymatic pathway, without competition for farmland, is the key for sustainable and integrated biofuels production aiming to optimize resources, waste reduction and negative environmental impacts minimization. However, its commercialization needs to be further consolidated through the economy of hydrolysis enzymes (cellulases) and efficiency improvements in lignocellulosic pre-treatment. Thus, this study aimed to contribute for the reduction of costs in cellulases production using a traditional brazilian industrial waste, the SCB, in order to obtain specific cellulases with the microorganism Aspergillus niger by solid state fermentation. The proposal of bioprocess developed consists of SCB hydrothermal pre-treatment towards to its use as fermentation substrate, complementation of this substrate with 35% of soybean bran and supplementation medium with protein sources addition, moisture fermentation of 80% and use of a column bioreactor instrumented with forced aeration aiming suitable control of water and thermal balance of the process. Thus, specific cellulases produced exhibited activities of FPase = 0.045; CMCase = 1.10; xylanase = 9.17 and -glucosidase = 0.33 IU/mL, and their synergy action over exploded SCB resulted in 15% of reducing sugar conversion after 22 hours of hydrolysis. The direct applicability and specificity of the enzymatic cocktail produced shows the proposed bioprocess as a high potential technology for integration into the production model of cellulosic ethanol, joint to a conventional power plant. This development alternative to larger scale indicates a national opportunity for sustainable growth in bioethanol production and associated benefits expansion with the worldwide use of biofuels.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:39:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 455859 bytes, checksum: de3a59838f0618085db4443875c0d3c0 (MD5) Previous issue date: 2011-04-08 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The vegetable fibers has great variation according to the environment in which they develop and usually consist of about 50% cellulose, lignin 20%, 28% hemicellulose and 2% ash and other compounds. Among these, lignin represents one of the main obstacles to the process of enzymatic hydrolysis. In the production of cellulosic ethanol, lignin hinders access of hydrolytic enzymes to fermentable carbohydrates. The objective of this work was to quantify the amount of fiber and lignin content in clones ad varieties of sugar cane, and study the interaction for the characteristics: fiber content, yield and lignin content. So, ten clones and varieties of sugar cane were evalueted in a randomized block with six replicates in three regions of Minas Gerais, respectively Oratorios (CECA), João Pinheiro (Distillery WD) and Pompeu (Distillery Agropeu). The lignin content evaluation was performed in six replicates, whereas the yield and fiber content in three. The plots consisted of four ridges of 5 metres, with spacing of 1.40 metres. Genotypes x environments were not significant for the lignin content. There was no significant difference from the average effect of lignin content, the clones and varieties in the study sites, by Scott-Knott test at 5%probability. Significant effect of genotypes and environments, as well as the genotypes x environments interaction for the fiber content. There was significanteffect of genotype, environment and cutting, as well as their interactions to yield. / As fibras vegetais possuem grande variação de acordo com o ambiente no qual se desenvolvem e usualmente são constituídas por aproximadamente 50% de celulose, 20% de lignina, 28% de hemicelulose e 2% de cinzas e outros compostos. Dentre estes, a lignina representa um dos principais entraves ao processo de hidrólise enzimática, pois dificulta o acesso das enzimas aos carboidratos fermentáveis, no processo de fabricação de etanol celulósico. O objetivo deste trabalho foi quantificar o teor de fibras e lignina em clones e variedades de cana-de-açúcar, bem como avaliar as interações para as características: teor de fibra, produtividade e teor de lignina. Para tal, dez clones e variedades foram avaliados em blocos casualizados, com seis repetições em três regiões do estado de Minas Gerais, respectivamente, Oratórios (CECA), João Pinheiro (Destilaria WD) e Pompéu (Destilaria Agropéu). A avaliação do teor de lignina foi realizada em seis repetições, enquanto a produtividade e o teor de fibras em três. As parcelas foram constituídas de 4 sulcos de 5 metros, com espaçamento entre linhas de 1,40 metros. A interação genótipos x ambientes é não significativa para o teor de lignina. Não houve diferença significativa do efeito de médias do teor de lignina, dos clones e variedades nos ambientes estudados, pelo teste de Scott-Knott a 5% de probabilidade. Houve efeito significativo de genótipos e de locais, bem como da interação genótipos x ambientes para o teor de fibra. Houve efeito de genótipo, ambiente e corte, bem como de suas interações para produtividade (TCH).

O Brasil, segundo maior produtor mundial de biocombustíveis, produz etanol a partir da extração e fermentação de sacarose de colmos de cana-de-açúcar. A utilização da energia presente nas ligações químicas entre os carboidratos da parede celular (celulose, hemiceluloses e pectina), das biomassas de folha e bagaço (hoje ambos considerados resíduos de produção), é uma possibilidade para o incremento, de cerca de 3 vezes o valor atual, na produção de etanol. O entendimento da estrutura química dos polissacarídeos da parede celular de cana-de-açúcar é imprescindível para que esta tecnologia seja desenvolvida. O presente trabalho teve como objetivo isolar as hemiceluloses de colmo de cana-de-açúcar e estudar as suas estruturas químicas. Para tal, utilizou-se AIR (Alcohol Insoluble Residue) - parede celular sem açúcar solúvel - de colmo e folha de cana-de-açúcar SP80-3280 em hidrólises enzimáticas com endo-β-xilanase, liquenase e celulase isoladamente ou em conjunto de forma a determinar a estrutura fina dos polímeros atacáveis por tais hidrolases. O AIR de colmo também foi submetido ao fracionamento da parede celular com oxalato de amônio, seguido de extrações com 1M e 4M de NaOH para a separação das hemiceluloses. Somente as frações 1M e 4M de NaOH foram analisadas, através de hidrólises com endo-β-xilanases, seguido da análise dos oligossacarídeos resultantes por HPAEC-PAD (High Performance Anionic Exchange Chromatography with Pulsed Amperometric Detection) e por espectrometria de massas MALDI-TOF. Paralelamente, grupos de oligossacarídeos provenientes de hidrólises do colmo com endo-β-xilanase foram isolados por cromatografia em camada delgada (TLC) preparativa e, em seguida, hidrolisados com α-arabinofuranosidases e analisados por PACE (Polyacrylamide Carbohydrate Electrophoresis) para o esclarecimento da estrutura fina de arabinoxilanos. Os resultados obtidos mostraram a presença de xiloglucano na fração NaOH 4M em pequena proporção, cerca de 3% da parede celular, sendo este xiloglucano de 2 tipos: estrutura fina típica de gramíneas (composta por glucose, e os oligossacarídeos isoprimeverose, XG, XXG, XXGG, XXGGG) e estrutura fina de eudicotiledôneas e monocotiledôneas não-comelinóides (composta por oligossacarídeos: XXXG, XLXG/XXLG, XXXXG). A análise por MALDI-TOF da hidrólise das frações 1M e 4M de colmo de cana-de-açúcar com endo-β-xilanase revelou a existência de xilanos lineares (série homóloga de xilanos) em conjunto com um grupo de xilanos ramificados com arabinose de forma regular, com motivos arabinosilados com até 6 xiloses na cadeia principal. As hidrólises com endo-β-xilanase e liquenase em conjunto revelaram que o arabinoxilano e o β-glucano, juntos, perfazem cerca de 40% da parede celular de cana-de-açúcar, e não interferem na hidrólise uma da outra, permitindo o uso concomitante das enzimas em processos industriais. Além disso, especula-se que as arabinoses do arabinoxilano interagem, possivelmente, através de ligações por compostos fenólicos, prevenindo a ação enzimática. O presente trabalho começa a desvendar a estrutura fina das principais hemiceluloses da parede celular de colmo de cana-de-açúcar e aponta para a necessidade de experimentos que permitam compreensão de outros níveis de complexidade da parede celular, como por exemplo, as ramificações com agliconas e interações entre os polissacarídeos. / Brazil is the second-generation ethanol producer in the World, obtaining it from sugarcane soluble sugar from culms. The second generation ethanol consists of using the energy present in the covalent linkages of the cell wall carbohydrates (cellulose, hemicelluloses and pectin) from culms and leaves (both considered nowadays as litter). This is considered as a great opportunity to increase ethanol production up to 3 times the current figures. The knowledge about sugarcane polysaccharide structure is crucial for the development of the second-generation ethanol technology. This work, aimed at the isolation and structural studis of the hemicellulosic components of the sugarcane cell walls. To achieve this, AIR (Alcohol Insoluble Residue) from culms and leaves (SP 80-3280 variety) were digested with endo-β-xylanase, lichenase and cellulase (in different sequences, or with isolated or combined enzymes) to help determining the fine structures of the polysaccharides. The AIR from culm was fractionated with increasing alkali concentrations (NaOH 0,1M, 1M and 4M) to purify the different hemicelluloses. Only the 1M and 4M fractions were analyzed, after digestions with endo-β-xylanase, followed by HPAEC-PAD (High Performance Anionic Exchange Chromatography with Pulsed Amperometric Detection) and MALDI-TOF Mass Spectrometry analyses. Also, the oligosaccharides obtained by the endo-β-xylanase digestion were isolated by preparative TLC (Thin Layer Chromatography), re-digested with α-arabinofuranosidases and finally analyzed by PACE (Polyacrylamide Carbohydrate Electrophoresis) in order to clarify the fine structure of the arabinoxylan from sugarcane culm. The same fractionated material was digested by an endo-β-glucanase to clarify the xyloglucan structure. The results showed that in the 4M fraction, a small concentration of xyloglucan can be found (ca. 3% of the total hemicelluloses), and this polysaccharide has the typical grass structure: XG, XXG, XXGG and XXGGG/XLGG. Other oligosaccharides, typical from eudicotyledons were also found: the XXXG, XLXG/XXLG and XXXXG. The MALDI-TOF and PACE analyses performed after digestion with endo-β-xylanase and α-arabinofuranosidases, revealed the presence of linear xylan oligosaccharides (from 2 to 14) and also fragments with arabinose substitutions. The digestions with endo-β-xylanase and lichenase at the same time, revealed that the arabinoxylan and β-glucans, are 40% of all the sugarcane cell wall mass, and one enzyme does not interfere in the activity of the other. The present work starts to clarify the fine structure of the sugarcane culm (and leaves) major hemicelluloses, and also suggest that experiments aimed at understanding cell wall complexity are important steps to help developing efficient cellulosic ethanol technologies to obtain second generation ethanol from sugarcane biomass.

Ameaças na sustentabilidade do desenvolvimento mundial em consideração ao aquecimento global, a dependência energética e a demanda exponencial pela produção de alimentos têm levado ao crescente interesse por fontes alternativas renováveis de energia como a biomassa vegetal. Neste cenário, a viabilização do etanol sem competição por terra cultivável a partir do bagaço de cana-de-açúcar (BC) pela rota enzimática é peça chave para a produção integrada e sustentável dos biocombustíveis visando otimização de recursos, redução de resíduos e minimização de impactos ambientais negativos. Entretanto, a sua comercialização precisa ser ainda consolidada através da economicidade nos insumos de hidrólise (enzimas celulases) e de uma maior eficiência na etapa de pré-tratamento da lignocelulose. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo contribuir na redução dos custos de produção celulases utilizando um resíduo característico da indústria brasileira, o BC, para produção de celulases específicas através da tecnologia de fermentação em estado sólido com o microorganismo Aspergillus niger. A proposta desenvolvida consiste em bioprocesso com pré-tratamento hidrotérmico do BC condizente a seu uso como substrato fermentativo, complementação deste substrato com 35% de farelo de soja e meio de suplementação com acréscimo de protéicas, umidade de fermentação de 80% e uso de circulação forçada em bioreator de coluna instrumentado visando o balanço hídrico e térmico do processo. As celulases específicas assim produzidas exibiram atividades de FPase: 0,045; CMCase: 1,10; xilanase: 9,17 e \'beta\'-glicosidase:0,33 UI/mL, e sua ação sinérgica sobre o BC explodido resultou na conversão em açúcares redutores de 15% após 22 horas de hidrólise. A direta aplicabilidade e especificidade do coquetel enzimático produzido mostram a proposta do bioprocesso como uma tecnologia de elevado potencial de integração no modelo de produção de etanol celulósico, anexo a uma usina convencional. Esta alternativa de desenvolvimento a maior escala indica uma oportunidade nacional para o crescimento sustentável na produção de bioetanol e a expansão das vantagens associadas com o uso de biocombustíveis no âmbito mundial. / Threats to sustainability of world development in regards to global warming, energy dependence and the exponential demand for food production have led to growing interest in alternative renewable sources of energy such as biomass. In this context, the viability of ethanol from sugar cane bagasse cane (SCB) by enzymatic pathway, without competition for farmland, is the key for sustainable and integrated biofuels production aiming to optimize resources, waste reduction and negative environmental impacts minimization. However, its commercialization needs to be further consolidated through the economy of hydrolysis enzymes (cellulases) and efficiency improvements in lignocellulosic pre-treatment. Thus, this study aimed to contribute for the reduction of costs in cellulases production using a traditional brazilian industrial waste, the SCB, in order to obtain specific cellulases with the microorganism Aspergillus niger by solid state fermentation. The proposal of bioprocess developed consists of SCB hydrothermal pre-treatment towards to its use as fermentation substrate, complementation of this substrate with 35% of soybean bran and supplementation medium with protein sources addition, moisture fermentation of 80% and use of a column bioreactor instrumented with forced aeration aiming suitable control of water and thermal balance of the process. Thus, specific cellulases produced exhibited activities of FPase = 0.045; CMCase = 1.10; xylanase = 9.17 and -glucosidase = 0.33 IU/mL, and their synergy action over exploded SCB resulted in 15% of reducing sugar conversion after 22 hours of hydrolysis. The direct applicability and specificity of the enzymatic cocktail produced shows the proposed bioprocess as a high potential technology for integration into the production model of cellulosic ethanol, joint to a conventional power plant. This development alternative to larger scale indicates a national opportunity for sustainable growth in bioethanol production and associated benefits expansion with the worldwide use of biofuels.

O etanol celulósico a partir da palhada de cana pode elevar a produção do bioetanol, porém esta é normalmente decomposta no campo. A degradação da parede celular no campo não foi elucidada e compreender este processo auxiliará na produção de etanol celulósico. O objetivo deste trabalho foi caracterizar a degradação da palhada de cana de açúcar no campo durante um ano. Foi analisada a composição da parede celular por fracionamento e composição dos monossacarídeos. Na parede celular, observou-se redução de 26% no teor de celulose enquanto houve aumento de 13% na fração de hemiceluloses mais solúveis. Mudanças na composição dos monossacarídeos das frações mostraram que o arabinoxilano (AX) foi o primeiro polímero a ser solubilizado (após 3 meses) seguido dos <font face=\"Symbol\">b-glucanos e celulose (após 6 meses). Isto sugere que o AX é a hemicelulose mais exposta e sua solubilização permitiu a degradação da celulose após 6 meses. A partir dos dados obtidos, sugeriu-se a utilização de xilanases seguidas de glucanases numa possível ordem de enzimas para produção de etanol celulósico. / The sugarcane straw cellulosic ethanol can increase bioethanol production, but the straw is usually degraded in the field. However, the process that leads the cell wall disassembly under field conditions is unknown and understanding how this happens can improve cellulosic ethanol production. In the present work we aimed at studying how sugarcane straw is degraded in the field during a year. Cell wall composition was determined by fractioning and determination of monosaccharide composition. Results showed a decrease (ca.26%) in cellulose content and an increase of 13% in high solubility hemicelluloses fraction. Changes in monosaccharide composition showed that the first polymer to be solubilised is the arabinoxylan (AX) (after 3 months) followed by <font face=\"Symbol\">b-glucans and cellulose (after 6 months). This suggests that AX is the most exposed hemicelullose and its solubilisation allowed cellulose degradation after 6 months. Our data suggest the use of xylanases followed by glucanases as an enzyme order to be used in cellulosic ethanol production from sugarcane straw.