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 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.

É esperado que a produção de combustíveis a partir de resíduos lignocelulósicos alcance representatividade na matriz energética mundial. Neste cenário, leveduras desempenharão importante papel como plataformas microbianas para os processos de conversão dos açúcares derivados da biomassa em etanol (de segunda geração) e em outros produtos de interesse. Apesar dos avanços consideráveis na área, a fermentação de hidrolisados lignocelulósicos ainda apresenta alguns desafios científicos e tecnológicos, como por exemplo, os problemas enfrentados na fermentação devido à presença de diversos inibidores oriundos dos processos de pré-tratamento e hidrólise da biomassa (tais como furaldeídos, compostos fenólicos e ácidos orgânicos). A geração destes inibidores reduz consideravelmente a eficiência da etapa fermentativa, e muitas vezes, inviabiliza o processo como um todo. Neste contexto, o presente trabalho estudou a identificação dos principais compostos lignocelulósicos inibidores na fermentação por leveduras presentes em cinco amostras de hidrolisados industriais. Ácido glicólico e ácido acético, dentre os ácidos orgânicos foram identificados em todas as amostras analisadas. Em relação aos furaldeídos, foram detectados furfural e 5- hidroximetil-furufural (HMF) em todas as amostras analisadas. Os principais e mais abundantes compostos fenólicos identificados pelo sistema foram ácido p-cumárico (em 4 de 5), ácido ferúlico (em 3 de 5) e ácido vanílico (em 3 de 5). Tendo os principais compostos quantificados e identificados, realizou-se um estudo de mínimas e máximas concentrações de alguns destes inibidores em quatro diferentes linhagens laboratoriais e industriais (CEN.PK113-7D, CEN.PK112, SA-1 e JAY270), a fim de verificar a toxicidade dos mesmos frente aos principais parâmetros cinéticos da fermentação (fase lag, µmáx, produção de biomassa e etanol). De forma geral, a linhagem industrial S. cerevisiae SA-1 se mostrou mais tolerante frente às demais linhagens, em praticamente todas as condições analisadas. Visto que a presença de algumas bactérias nas linhas de produção de etanol é sabida, procurou-se verificar a resistência destas na presença dos compostos inibitórios. Ao comparar a resistência frente aos inibidores entre bactérias lácticas e leveduras laboratoriais e industriais, notou-se uma potencial robustez das bactérias frente às leveduras, uma vez que as últimas foram incapazes de crescer no meio de cultivo acrescido de um coquetel de inibidores, enquanto que as bactérias apresentaram crescimento. Por fim, investigou-se a influência conjunta de três compostos inibitórios (ácido acético, HMF e ácido p-cumárico) sobre os principais parâmetros fisiológicos da linhagem SA-1, a mais tolerante das linhagens avaliadas. Assim, através de um delineamento composto central rotacional (DCCR), pode-se analisar estatisticamente os efeitos dos três inibidores, com o qual verificou-se que a maior toxicidade (redução da velocidade específica de crescimento) é exercida pelo HMF. De uma maneira geral, a linhagem SA-1 pode ser considerada uma plataforma microbiana com grande potencial de aplicação na produção de etanol de segunda geração, bem como no estudo das bases moleculares para tolerância aos inibidores oriundos desses processos. / It is expected that the production of fuels from lignocellulosic residues will be representative in the world energy matrix. In this scenario, yeasts will play an important role as microbial platforms for the conversion processes of sugars derived from biomass into ethanol and other products of interest. Despite the considerable advances in the area, the fermentation of lignocellulosic hydrolysates still presents some scientific and technological challenges, such as the problems faced in the fermentation due to the presence of several inhibitors from the processes of pretreatment and hydrolysis of biomass (such as furaldehydes, phenolic compounds and organic acids). The presence of these inhibitors considerably reduces the efficiency of the fermentation step, and often hampers the process itself. In this context, the present work aimed to identify major inhibitory lignocellulosic compounds for yeast fermentation present in five samples of industrial hydrolysates. Glycolic acid and acetic acids were identified in all samples analysed. In relation to furaldehydes, furfural and 5-hydroxymethyl-furfural (HMF) were detected in all samples as well. The major and most abundant phenolic compounds identified were p-coumaric acid (in 4 out of 5 samples), ferulic acid (in 3 out of 5) and vanillic acid (in 3 out of 5). After quantification of these compounds, minimum and maximum concentrations of the major ones were studied in four different laboratory and industrial strains (CEN.PK113-7D, CEN.PK112, SA-1 and JAY270), in order to verify their toxicity against physiological parameters such as elongation of lag phase and growth rate. In general, the S. cerevisiae SA-1 industrial strain was more tolerant in comparison to the other 3 strains for virtually all compounds investigated. Since bacteria is present during fuel ethanol production, , the resistance of these bacteria for the same inhibitory compounds was also evaluated. When comparing the resistance against inhibitors between lactic acid bacteria and yeast strains, a higher robustness of bacteria in relation to yeasts was observed, since yeasts were unable to grow in a medium supplemented with a cocktail of inhibitors, whereas bacteria did grow. Finally, the influence of three inhibitory compounds (acetic acid, HMF and p-coumaric acid) on the main physiological parameters of the strain SA-1, the most tolerant among the strains evaluated, was investigated. Thus, using a rotatable central composite design (RCCD), the effects of the three inhibitors were analysed, and it was found that the highest toxicity (reduction in specific growth rate) is caused by HMF. Overall, SA-1 is a promising platform yeast strain for second generation ethanol production and for understanding strain robustness toward lignocellulosic inhibitory compounds.

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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.

The sugarcane agribusiness, one of the most traditional of the country, is living a moment of reflection and change with the advent of second-generation ethanol (2G), enzymatic hydrolysis process, with the deployment of the first commercial-scale plant, the GRANBIO. Evolutionary / neoschumpeterian literature is used as a theoretical framework and a review of literature on sectoral systems of innovation, learning processes and the accumulation of technological capabilities. The main challenges direct the research areas supported by SSI and relates to the increased productivity of the raw material through the cane-energy development, and its technical difficulties are concerning the adaptation of new varieties in different edapho-climatic conditions, the adequacy of management techniques with development of planting and harvesting and storage techniques machines; Improvements in the manufacturing process are related to the development of new technologies for increased efficiency using in the new biotechnologyc paradigm. The organizational level has a necessary changes in the learning process and technological capacity to build the firm to achieve endogenous production levels of technology. It was found that all research developed in Brazil around the 2G ethanol partnership with research centers and universities, coming from Sector System sugarcane Innovation, created to sustain and support the metalworking industry, the producers of sugar and ethanol 1G. The 2G firm seeks to harness the "windows of opportunity" of new technology and from the endogenous production of knowledge can dictate the success of technology development. / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / A agroindústria sucroenergética, uma das mais tradicionais do país, está vivendo um momento de reflexões e mudanças com o advento da produção de etanol de segunda geração (2G), processo de hidrolise enzimática, e com a implantação da primeira planta em escala comercial, a GRANBIO. A literatura evolucionária/neoschumpeteriana é utilizada como referencial teórico e uma revisão da bibliografia sobre sistemas setoriais de inovação, os processos de aprendizagem e a acumulação de capacidades tecnológicas. Os principais desafios direcionam as linhas de pesquisa suportadas pelo SSI e relacionam-se ao incremento da produtividade da matéria-prima, através do desenvolvimento da cana-energia, e seus gargalos técnicos relativos à adaptação de novas variedades em diferentes condições edafoclimáticas, a adequação das técnicas de manejo com desenvolvimento de máquinas de plantio e colheita e as técnicas de armazenagem; As melhorias no processo industrial relacionadas ao desenvolvimento de novas tecnologias para o aumento da eficiência utilizando o novo paradigma biotecnológico. A nível organizacional, ocorreram modificações no processo de aprendizado e de acúmulo de capacidade tecnológica da firma para alcançar níveis de produção endógena de tecnologia. Toda pesquisa desenvolvida no Brasil em torno do etanol de 2G tem parceria com os centros de pesquisa e universidades, oriundos do Sistema Setorial de Inovação sucroalcooleiro, criado para dar sustentação e suporte a indústria metal mecânica, produtora de açúcar e etanol de 1G. A firma de 2G busca aproveitar as “janelas de oportunidades” da nova tecnologia e produz conhecimento para o desenvolvimento da tecnologia 2G.