Orientador: Lara Durães Sette / Banca: Regina Teresa Rosim Monteiro / Banca: Jonas Contiero / Banca: Adilson Roberto Gonçalves / Banca: Dejanira de Franceschi de Angelis / Resumo: A degradação biológica da lignina pode ser realizada por fungos de podridão branca, parda e mole, os quais produzem enzimas oxidativas especialmente lacases, manganês peroxidase (MnP) e lignina peroxidase (LiP). Neste trabalho, foi investigada a interação entre diferentes fungos filamentosos para formar consórcios capazes de remover a lignina de resíduos agroindustriais. Após triagens enzimáticas realizadas para LiP, MnP, Lacase e glioxal oxidase (GLOX), 8 isolados apresentaram potencial para aplicação de degradação lignocelulósica e 5 fungos foram selecionados como os melhores produtores das enzimas estudadas. As capacidades de interação e inibição de crescimento dos isolados selecionados foram estudadas para posterior montagem dos consórcios. Desta maneira, 6 diferentes consórcios foram estruturados e submetidos a testes de degradação de lignina utilizando três diferentes resíduos derivados da agroindústria: sabugo de milho, casca de arroz e bagaço de cana. Dados de seletividade (celulose/lignina) foram também utilizados como parâmetro de avaliação dos consórcios. Os consórcios C5 (Tinctoporellus sp. e Marasmiellus sp. e Aspergillus sect. flavi) e C6 (Tinctoporellus sp. e Marasmiellus sp. Fusarium sp.) apresentaram resultados mais coerentes de degradação de lignina, seletividade e atividades enzimáticas no bagaço de cana após 7 dias a 28ºC. A casca de arroz apresentou menor degradabilidade devido a uma maior resistência ao ataque microbiano. O sabugo de milho foi melhor deg... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Biological lignin degradation can be performed by white rot, brown, and soft fungi, which are able to produce oxidative enzymes such as lignin peroxidase (LiP), manganese peroxidase (MnP) and Laccase. In this work, the interaction between different filamentous fungi (isolated from different environments) was investigated aiming to the structuration of consortia able to remove the lignin from agro-industrial wastes. After the enzymatic screening accomplished to LiP, MnP, laccase, and glyoxal oxidase (GLOX), 8 isolates presented potential application to lignocellulose degradation and 5 were selected as the best producers of the studied enzymes. The interaction and inhibition growth ability of the selected isolates was investigated for the subsequent consortia assembling. In this way, 6 different consortia were pooled and subjected to lignin degradation tests using 3 different waste materials derived from agro-industry: corn cobs, rice husks, and sugarcane bagasse. Data related to selectivity (cellulose/lignin) were also used for the consortia's evaluation. The consortia C5 (Tinctoporellus sp., Marasmiellus sp., and Aspergillus sect. Flavi) and C6 (Tinctoporellus sp., Marasmiellus sp., and Fusarium sp.) presented more coherent results of lignin degradation, selectivity, and enzymatic activities in sugarcane bagasse after 7 days incubation at 28°C. The rice husk showed lower degradability due to the higher resistance to the microbial attack. The corncob was better degraded by the consortia that showed ability to reduce the amount of lignin and polysaccharides (cellulose and xylan). In this sense, the consortia C5 and C6 were subjected to the experiments related to sugarcane bagasse degradation during 15 days. Results showed that the consortium C5 was more efficient during the delignification process and showed better results of ... (Complete abstract electronic access below) / Doutor

Orientador: Crispin Humberto Garcia-Cruz / Banca: Mauricio Boscolo / Banca: Edson José Fragiorge / Resumo: Os biocombustíveis têm despertado interesse crescente como alternativa para reduzir o impacto ambiental negativo do uso de combustíveis à base de petróleo, proporcionando ainda maior segurança energética entre os países. Em particular, o etanol celulósico produzido a partir de materiais renováveis lignocelulósicos, entre eles os resíduos agroindustriais, se apresenta como mais competitivo. Neste contexto, o presente trabalho abrange o potencial do uso de resíduos de mandioca (Manihot esculenta Crantz) obtidos durante o processamento de fécula como matéria-prima para a produção de bioetanol. Foram realizados experimentos de hidrólise nas concentrações de 0,5% até 5% de ácido sulfúrico (v/v). Os resultados demonstraram que H2SO4 a 2% durante 10 minutos de reação a 121ºC atingiram a maior liberação de açúcares redutores presentes no resíduo (134,84 g L-1 ). As condições ideais para a fermentação alcóolica utilizando a levedura Saccharomyces cerevisiae ATCC 26602 foram pH 6,5 e temperatura de 35ºC, frascos mantidos sem agitação e concentração de açúcar redutor inicial de 50g L-1, resultando em 21,23 g L-1 de etanol com uma produtividade de 1,86 g L h -1 e rendimento teórico de 96,5% após 10 horas de fermentação (0,49g/g açúcar fermentescível). Os resultados indicaram que resíduos de mandioca podem servir como um substrato potencial para a produção de etanol, visto que certos parâmetros fermentativos para a otimização do processo foram pesquisados. Assim, este estudo fornece dados práticos sobre as condições mais adequadas para o aproveitamento destes rejeitos industriais visando a geração de energia combustível "limpa", característica invejável e cada vez mais atrativa num mundo onde cresce a preocupação econômica e ambiental / Abstract: Biofuels has increased interest as alternative to reduce the negative environmental impact of petroleum-based fuels use, providing greater energy security among countries. In particular, cellulosic ethanol produced from renewable lignocellulosic materials including agroindustrial wastes presents as most competitive. In this context, this work has focused on the potential use of cassava waste (Manihot esculenta Crantz) obtained from starch processing as raw material for bioethanol production. Hydrolysis experiments were conducted in concentrations from 0.5% to 5% sulfuric acid (v/v). The results showed that 2% H2SO4 for 10 minutes at 121°C reaction reached the highest release of reducing sugars present in the residue (134.84 g L -1 ). The optimal conditions for the alcohol fermentation using Saccharomyces cerevisiae ATCC 26602 strain has pH 6.5, temperature of 35°C, flasks without stirring and initial reducing sugar concentration of 50g L-1, resulting in 21.23 g L-1 ethanol with a productivity of 1.86 g L h -1 and theoretical yield of 96.5% after 10 hours fermentation (0.49 g/g fermentable sugar). These results indicated that cassava residues may serve as potential substrate for ethanol production, since certain fermentation parameters for process optimization were investigated. This study provides practical information on the most suitable conditions for use of these industrial wastes aiming to generate "clean" energy, an enviable and increasingly attractive feature in a world where economic and environmental concerns are growing / Mestre

Orientador: Lucia Maria Carareto Alves / Coorientador: Alessandro de Mello Varani / Banca: Tiago Santana Balbuena / Banca: Rodrigo Matheus Pereira / Resumo: A desconstrução da lignocelulose pela ação dos microrganismos é um processo essencial para o ciclo do carbono e para a conversão da biomassa em combustíveis e produtos químicos. A extensa variedade de carboidratos encontrados na parede celular das plantas requer uma multiplicidade de enzimas para sua degradação. O objetivo desse trabalho foi isolar um consórcio microbiano de amostra de solo, contendo bagaço de cana-de-açúcar em decomposição, que fosse eficiente na desconstrução da biomassa e sequenciar o DNA total para isolamento de genes envolvidos na desconstrução da lignocelulose. O consórcio microbiano degradador de biomassa foi obtido através de amostra de solo cultivado com cana de açúcar em decomposição e mostrou ser eficiente na degradação de um potencial substrato lignocelulósico, o bagaço de cana. Para se comprovar a eficiência na liberação de açúcar da biomassa com potencial de ser usado em processos fermentativos foi realizada a análise cromatográfica de açúcares, quando esse conjunto de microrganismos foi cultivado em meio contendo apenas bagaço de cana como fonte de carbono. Esse ensaio mostrou a liberação de glicose no meio de cultivo. Do mesmo modo, foram realizados testes microbiológicos que mostraram a produção de enzimas hidrolíticas como celulases e amilases. O sequenciamento do DNA total extraído das amostras do consórcio cultivadas em meio com celulose possibilitou a identificação dos microrganismos presentes no consórcio. Através dessas sequencias também foi realizada a prospecção de genes envolvidos na degradação da biomassa e nessa avaliação foram encontrados os genes das enzimas alfa amilase, glucoamilase, alfa glucosidase, beta glucosidase e endoglucanase, enzimas de suma importância no processo de desconstrução da lignocelulose. Todos os genes das enzimas foram similares a sequencias da bactéria Burkholderia sp SJ98, que já foi descrita na ... / Abstract: The deconstruction of lignocellulose by the action of microorganisms is an essential process for the carbon cycle and the conversion of biomass into fuels and chemicals. A wide variety of carbohydrates found in plant cell walls requires a multitude of enzymes for their degradation. The aim of this study was to isolate a microbial consortium of soil sample containing bagasse cane sugar decomposition, which is efficient in the deconstruction of biomass and the total DNA sequence for the isolation of genes involved in the deconstruction of lignocellulose. The biomass degrading microbial consortium was obtained from soil sample cultivated with sugarcane decomposed and shown to be efficient in the degradation of a potential lignocellulosic substrate, sugarcane bagasse. To prove the efficiency of the release of sugar from the biomass potential to be used in fermentation processes chromatographic analysis of sugars was performed when the number of microorganisms were cultivated only in a medium containing cane bagasse as a source of carbon. This test showed the release of glucose in the culture medium. Similarly, microbiological tests have shown that the production of hydrolytic enzymes such as cellulases and amylases have been made. The sequencing of total DNA extracted from the samples cultured in medium with cellulose consortium made possible the identification of microorganisms present in the consortium. Through these sequences to search for genes involved in the degradation of biomass and this assessment was also carried the genes of the enzymes alpha amylase, glucoamylase, alpha- glucosidase, beta glucosidase and endoglucanase enzymes of paramount importance in the process of deconstruction of lignocellulose found. All genes of the enzymes were similar to sequences of the bacterium Burkholderia sp SJ98, which has been described in the literature as an efficient organism in biodegradation of different compounds. Thus in the present ... / Mestre

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2015-05-14T12:49:33Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Reis ALS 2014 Tese.pdf: 4888258 bytes, checksum: 3f44c77658c5a103d9a2eb81eda3f642 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-14T12:49:33Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Reis ALS 2014 Tese.pdf: 4888258 bytes, checksum: 3f44c77658c5a103d9a2eb81eda3f642 (MD5) Previous issue date: 2014-03-14 / CNPq / Os maiores produtores de etanol no mundo são os Estados Unidos, a partir do amido de milho, e o Brasil, a partir da sacarose da cana-de-açúcar. Nos últimos anos, o Brasil não aumentou apreciavelmente a sua produção, enquanto que, por outro lado, a indústria de etanol nos Estados Unidos vem sofrendo uma grande expansão, em torno de 1 milhão m3/ano, com planejamento para produção de 40 milhões de m3 de etanol em 2025. Em atendimento a uma demanda que cresce significativamente em função do reconhecimento mundial dos benefícios do etanol como combustível, os Estados Unidos e o Brasil, assim como diversos outros países, entraram em uma corrida, que tende a se acirrar, para o desenvolvimento de tecnologias de produção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos. Dekkera bruxellensis é uma levedura que é usualmente reconhecida como um organismo contaminante. A espécie, como todas as leveduras consideradas não-Saccharomyces, apresenta graus variados de mecanismos catalíticos de suas glicosidades e poucos estudos têm investigado o desempenho das enzimas produzidas por esses microrganismos. A presente Tese teve como objetivo principal observar e interpretar os parâmetros cinéticos e as características bioquímicas de β-glicosidase(s) e produzida(s) por D. bruxellensis, linhagem GDB 248 e relacionar esses parâmetros com o perfil fermentativo da mesma frente à conversão da celobiose, proveniente de meios sintéticos e de hidrolisados de bagaços de cana-de-açúcar e sorgo sacarino, em bioetanol, incluindo a ultra análise morfológica dessas biomassas lignocelulósicas, avaliando a eficiência do pré-tratamento utilizando peróxido de hidrogênio em meio alcalino e seus respectivos rendimentos em produtividade volumétrica e eficiência de fermentação da glicose e xilose em etanol. Para o primeiro trabalho “Fermentação da celobiose em condições de aerobiose restrita e a caracterização de uma celobiase a partir de uma linhagem industrial de Dekkera/Brettanomyces bruxellensis” foi confirmada a atividade celobiásica (β-glicosidase) em extratos semi-purificados caracterizando-a como uma enzima candidato. Foi demonstrado que a linhagem GDB 248 apresentou capacidade de produzir uma concentração de ácido acético maior que o etanol e glicerol, o que confirma a ausência de efeito Custer com esta estirpe em condições de aerobiose restrita. E no segundo trabalho “Produção de etanol de segunda geração a partir de bagaço de cana-de-açúcar e sorgo sacarino por uma linhagem industrial de Dekkera/Brettanomyces bruxellensis” foi possível obter altas eficiências de hidrólise enzimática utilizando apenas preparações comerciais de celulases, sem complementação com β-glicosidades, o que pode diminuir os custos de processo de hidrólise.

Orientador: Francisco Maugeri Filho / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-19T06:57:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Zautsen_RemigiusReinerusMaria_D.pdf: 4385252 bytes, checksum: 3906f1725b3c49ed542429ca357c57ea (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Na fermentação de produtos como etanol, utilizando biomassa lignocelulósica como matéria-prima, existem dois fatores principais que limitam a produtividade e eficiência do processo: inibição pelo produto e inibição por substâncias no caldo hidrolítico provenientes da hidrólise. Neste trabalho, é proposta a remoção simultânea de ambos os fatores para eliminar seus efeitos negativos na fermentação alcoólica. Produtos de fermentação prejudicam muitas vezes a integridade da membrana celular do micro-organismo utilizado como fermento. Portanto, a toxidez do produto não permite que a fermentação ocorra de forma ilimitada, uma vez que o produto está presente no meio em certa concentração. O crescimento do micro-organismo, a produtividade e o rendimento são prejudicados pela presença do mesmo. Compostos como furfural, hidroximetil furfural, compostos fenólicos e ácidos, que são produzidos durante o pré-tratamento ou hidrólise da biomassa lignocelulósica, introduzem outros efeitos inibidores, como a extensão da fase lag da levedura, prejudicam o crescimento e a produção. Esta tese propõe empregar um solvente orgânico na dorna do biorreator, com o fim de extrair o produto inibidor e todos os componentes inibidores existentes no substrato, de tal forma que o processo de fermentação não seja prejudicado. Com esse objetivo, primeiramente foi definida a relação entre o tamanho molecular de agentes extrativos, bio-compatibilidade e propriedades extrativas dos mesmos. Em seguida, um solvente foi escolhido, sendo o biodiesel à base de óleo de mamona, através de características como biocompatibilidade, coeficientes de partição, seletividade, alta disponibilidade e reutilização. Foram feitas fermentações em regime batelada em fermentadores de bancada, utilizando o biodiesel como agente extrativo, demonstrando os efeitos positivos no desempenho da fermentação de um licor hidrolítico. Adicionalmente, o comportamento de uma cepa de levedura industrial foi estudado na presença de inibidores e foi construído um modelo matemático que descreve as taxas de conversão dos principais inibidores e as condições em que a levedura, ao invés de manter uma fase lag, inicia a produção de biomassa e etanol. Finalmente, foi elaborado, como exemplo da utilização da tecnologia proposta, um modelo do sistema contínuo de fermentação alcoólica com a extração líquido-líquido, incluindo a recuperação do produto e resfriamento do meio de fermentação pelo próprio solvente orgânico. Por meio desta modelagem e uma série de simulações, foram determinadas as faixas ideais das principais variáveis na produção de etanol pelo sistema bifásico, sendo elas a fração de licor hidrolítico no mosto, concentração de substrato, temperatura de fermentação, e taxa de diluição do solvente. Assim, o trabalho demonstra as vantagens, efeitos positivos e os limites da utilização de extração líquido-líquido na fermentação de substrato da segunda geração. Entre as vantagens se destacam: maior tolerância de caldo hidrolítico no mosto, elevada produtividade, maior rendimento e maior custo-benefício do substrato / Abstract: There are two main factors that limit fermentation productivity and eficiency during the production of chemicals like ethanol when using lignocelulosic biomass as raw material: product inhibition and inhibition by substances in hydrolitic liquor generated during hydrolyzis. In this work, the simultaneous removal of both factors is proposed to eliminate their negative effects on ethanol fermentation. Fermentation products often damage the cellular wall of the micro-organism that is used as ferment. As a result, the toxicicity of the product does not permit that the fermentation continues unhindered once the product concentration has reached a certain level; growth of the micro-organism, productivity and yield are effected. Substances like furfural, hydroximetil furfural, phenolic compounds and organic acids, that are produced or released during pre-treatment or hydrolyzis of ligno-celulosic biomass, introduce other inhibiting effects, like the extension of the lag phase of the ferment or decreasing growth and production. This thesis proposes the use of an organic solvent as a second liquid phase in the bioreactor, to extract both the inhibiting product and all inhibiting compounds present in the substrate, such that the fermentation process remains unhindered. With this objective, first the relation between the molecular size of an extractive agent and its biocompatibility and extractive properties was determined. Next, a solvent was chosen, being biodiesel based on castor oil, by prioritizing characteristics as biocompatibility, partition coeficients, selectivity, availability and possibilities for recycling and reuse. Batch fermentations were executed in bench-scale, using biodiesel as extractive agent, demonstrating the improvements of fermentation of hydrolytic liquor. Aditionaly, the performance of an industrial yeast strain was studied in the presence of inhibitors and a mathematical model was constructed that descibes the conversion rates of the main inhibitors and conditions at which the yeast, instead of maintaining a lag phase, starts production of biomass and ethanol. Finally, as a practical example of the proposed technology, simulations were performed for an integrated process including continuous ethanol fermentation with liquid-liquid extraction, product recovery and cooling of the fermentation broth by the extractive agent itself. The simulation results reveiled the optimal ranges for the most important variables of the two-phase ethanol production process, i.e. fraction of hydrolitic liquor in the must, substrate concentration, fermentation temperature and dilution rate of the solvent. In all, the work shows the advantages, positive effects of and limits to the use of liquid-liquid extraction in fermentation of second-generation substrate. Advantages are, among others, higher tolerance of hydrolyzate in the must, higher yield, higher productivity and higher return on investment of raw-material / Doutorado / Engenharia de Alimentos / Doutor em Engenharia de Alimentos

Orientadores: Aline Carvalho da Costa, José Geraldo da Cruz Pradella / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campoinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T13:46:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_BeatrizMerchelPiovesan_M.pdf: 1535419 bytes, checksum: fa059ca3da52ab10581615a140f2bc82 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A produção de enzimas lignocelulolíticas por Trichoderma reesei RUT-C30 foi otimizada em frascos agitados e bioreatores de 0,5 e 3L visando maximizar os títulos enzimáticos e produtividade volumétrica. Para isso, foram testadas como fontes de carbono (1% m/v) bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado por processo hidrotérmico (BH) ou por explosão a vapor, com (BED) e sem (BEX) deslignificação, em meio contendo proteose peptona, tween 80 e solução salina. Celulose comercial Celufloc200 (CE) foi testada para comparação. Maior produção de enzimas celulolíticas foi obtida com a utilização de BED (1,38 ± 0,11 FPU/mL) quando em comparação com CE (0,78 ± 0,14 FPU/mL) em frascos agitados, sendo esse material utilizado como fonte de carbono nos demais ensaios. A produção de hemicelulases (xilanases) foi similar para os dois meios (em U/mL): 18,03 ± 1,56 para BED e 20,04 ± 1,50 para CE. A variação da concentração da solução salina, da fonte de carbono e dos nutrientes permitiu aumento da produção de enzimas celulolíticas para 1,89 ± 0,12 (meio com o dobro de solução salina) e 2,73 ± 0,09 (meio com 2% m/v de BED e nutrientes proporcionais) em frascos agitados. A suplementação da fonte de carbono com farelo de soja, sacarose, licor de pré-tratamento, lactose e glicerol foi estudada e farelo de soja foi selecionado como suplemento do meio. A elaboração de um meio de mistura contendo o dobro de solução salina, farelo de soja e nutrientes proporcionais à concentração da fonte de carbono (meio MIX) permitiu o aumento da produção de enzimas para, em FPU/mL: 3,33 ± 0,10 (MIX15: contém 1,5% m/v de BED), 3,78 ± 0,33 (MIX20) e 3,67 ± 0,34 (MIX30) em frascos agitados. As atividades de xilanases foram superiores a 130 U/Ml utilizando os meios de mistura. Em bioreator de 3L a produção de enzimas celulolíticas utilizando o meio MIX15 atingiu 2,29 ± 0,20 FPU/mL. Para o meio padrão (BED 1% m/v) o pico de atividade obtido foi de 1,14 ± 0,32 FPU/mL. O aumento da concentração da fonte de carbono em bioreator para 3% (m/v) a partir do meio MIX15 resultou no aumento da atividade celulolítica para 4,20 ± 0,34 FPU/mL. Os picos de atividade de xilanases atingiram valores superiores a 180 U/mL em bioreator. O desempenho do coquetel enzimático produzido no meio MIX15 foi avaliado na hidrólise de BED e BH, e comparado ao coquetel produzido no meio padrão e a um coquetel comercialmente disponível (Sigma). Os valores de conversão de celulose em glicose foram superiores para o coquetel MIX15 em relação aos demais coquetéis ao se utilizar 3 ou 5% de sólidos, com ou sem adição de beta-glucosidase comercial (Novozym 188) / Abstract: The production of lignocellulolytic enzymes by Trichoderma reesei RUT-C30 was optimized in shake flasks and 0.5 and 3L bioreactors to maximize the enzymatic titles and volumetric productivity. The carbon sources considered were sugar cane bagasse (1% w/v) pretreated by the hydrothermal process (BH) or steam explosion, with (BED) and without (BEX) delignification. The medium contained proteose peptone, Tween 80 and saline solution. Commercial cellulose Celufloc200 (CE) was used for comparison. Increased production of cellulolytic enzymes in flasks was obtained with BED as carbon source (1.38 ± 0.11 FPU / ml) when compared to CE (0.78 ± 0.14 FPU / ml), and this material was selected as carbon source for further studies. The production of hemicellulases (xylanases) was similar for the two carbon sources (U / mL): 18.03 ± 1.56 with BED and 20.04 ± 1.50 with CE. Variation of the concentration of the salt solution, carbon source and nutrients led to an increased production of cellulolytic enzymes: 1.89 ± 0.12 (medium with doubled saline solution concentration) and 2.73 ± 0.09 (medium with 2% w/v BED and nutrients proportional to the carbon source) in shake flasks. Supplementation of the carbon source with soybean meal, sucrose, pretreatment liquor, lactose and glycerol was studied and soybean meal has been selected as supplement. The preparation of a mixture medium containing doubled saline solution, soybean meal and nutrients proportional to the concentration of the carbon source allowed increasing the production of enzymes for (in FPU / ml): 3.33 ± 0.10 (MIX15 - containing 1.5% w/v BED) , 3.78 ± 0.33 (MIX20) and 3.67 ± 0.34 (MIX30) in shake flasks. Xylanase activities were higher than 130 U/mL. In a 3L bioreactor, production of cellulolytic enzymes using MIX15 medium reached 2.29 ± 0.20 FPU / mL. For the standard medium (BED 1% w/v) the peak activity was 1.14 ± 0.32 FPU / mL. Increasing the concentration of the carbon source in the bioreactor to 3% w/v starting from MIX15 resulted in a cellulolytic activity of 4.20 ± 0.34 FPU / mL. Xylanase activity reached values higher than 180 U/mL in the bioreactor. The performance of the enzyme cocktail produced in MIX15 medium was evaluated for the hydrolysis of BED and BH, and compared to the cocktail produced in the standard medium and to a cocktail commercially available (Sigma). The values of conversion of cellulose to glucose were higher for the cocktail MIX15 compared to the other cocktails when using 3 or 5% solids, with or without adding commercial beta-glucosidase (Novozym 188) / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestra em Engenharia Química

Orientador: José Maria Ferreira Jardim da Silveira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Economia / Made available in DSpace on 2018-08-27T10:45:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Murakami_ThaysGoncalvesdeLima_D.pdf: 10562342 bytes, checksum: 117ec4b1509fe2b8e1fb5ba7b3f11b9b (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A pesquisa tem por objetivo investigar as trajetórias tecnológicas que estão se formando na etapa de hidrólise enzimática para a produção de bioetanol de 2ª geração (também denominado bioetanol lignocelulósico). A escolha do bioetanol lignocelulósico como tema geral dessa tese mostra-se pertinente, haja vista que sua produção ainda se encontra em estágio inicial de desenvolvimento, criando oportunidade principalmente para países em desenvolvimento, que podem adequar suas políticas energéticas às especificidades locais (a partir da escolha de matérias-primas abundantes internamente a serem usadas como biomassa) e minimizar sua dependência de fontes fósseis. Particularmente o Brasil pode se beneficiar da produção de bioetanol lignocelulósico partindo do conhecimento e da infraestrutura já aplicados à produção de bioetanol da cana. A motivação para a seleção da etapa de hidrólise como tema específico está no fato de que esse processo ainda carrega muitas incertezas, não havendo tecnologia(s) líder(es) ou trajetória(s) dominante(s). Ao contrário, há um conjunto de rotas tecnológicas possíveis que precisam mostrar sua viabilidade técnica e econômica para se tornarem ideais. O estudo da rota enzimática, em detrimento da rota ácida, deve-se ao fato de que ela tem sido considerada pela literatura a mais promissora. Todavia, mesmo na hidrólise enzimática há enormes indefinições decorrentes da ampla diversidade de micro-organismos com potencial para degradação de material lignocelulósico que, no entanto, metabolizam as enzimas em diferentes proporções e condições ambientais. As incertezas decorrem também da ampla gama de enzimas degradadoras de matéria lignocelulósica e da ação sinérgica entre elas. Dado que cada matéria usada como biomassa possui uma composição lignocelulósica particular, a eleição do grupo de enzimas a serem usadas no processo de degradação se torna mais complexa. Com vistas a atender aos propósitos desta pesquisa ¿ de investigar as trajetórias tecnológicas em hidrólise enzimática para produção de bioetanol ¿ foi usada a base da Derwent Innovations Index durante o período de 1970 a 2014 para a seleção de patentes relacionadas ao tema. A partir da reunião das patentes de interesse, foram extraídas, sistematizadas e analisadas três categorias de informação dos documentos patentários, a saber, o(s) tipo(s) de pesquisa empreendido(s) (ou conteúdo da patente), o(s) micro-organismo(s) envolvido(s) na pesquisa e a(s) enzima(s) de interesse comercial. Com essas três categorias de informação, aplicou-se o modelo NK para detectar a presença de padrões de especialização entre `conteúdo-micro-organismo-enzima¿. Isso porque, espera-se que com o amadurecimento da rota de hidrólise enzimática, haja o afunilamento dos micro-organismos estudados, a paulatina eleição dos mais aptos à produção de bioetanol lignocelulósico e o direcionamento a determinadas enzimas, reduzindo o grau de incerteza que envolve o processo. O que se pretende com a investigação dessas três dimensões, portanto, é compreender em que direção os agentes públicos e privados estão focalizando seus esforços em termos de métodos/técnicas de pesquisa, em quais micro-organismos esses agentes têm apostado suas expectativas e em quais enzimas tem havido crescente interesse comercial. Essas dimensões, em seu conjunto, delineiam as trajetórias tecnológicas em hidrólise enzimática e dão pistas do atual estágio dessa rota de uma perspectiva setorial / Abstract: This research aims to investigate the technological trajectories in enzymatic hydrolysis process for the 2nd generation bioethanol production (also known as lignocellulosic bioethanol). The choice of the lignocellulosic bioethanol as the general topic of this work proves to be relevant, given that its production is still in early stage of development, creating opportunity especially for developing countries inasmuch as they can adjust their energetic policies to local conditions (choosing internally abundant raw materials to be used as biomass) and minimize their dependence on fossil fuels. Brazil particularly can benefit from lignocellulosic bioethanol production taking advantages from the knowledge and infrastructure already applied to the production of sugarcane bioethanol. The motivation for the study of the hydrolysis process is due to the uncertainties around it, to the extent that there is no dominant technology or trajectory. On the contrary, there are a number of possible technological routes that need to prove their technical and economic feasibility to become ideals, being the enzymatic route considered by the literature the most promising of them. Nevertheless, even in the enzymatic hydrolysis there are huge uncertainties arising from the wide range of micro-organisms with potential for the degradation of lignocellulosic matter. These microorganisms metabolize enzymes at different rates and at different environmental conditions. Uncertainties also arise from the wide range of enzymes needed to degrade the lignocellulosic matter and to the synergic action between them. Since each raw material used as biomass has a specific lignocellulosic composition, the choice of the group of enzymes to be used in the degradation process becomes more complex. In order to fulfill the purposes of this research ¿ to investigate the technological trajectories in enzymatic hydrolysis for bioethanol production ¿ we selected patents available in the Derwent Innovations Index database during the period 1970-2014. From the patent documents of interest we extracted, systematized and analyzed three categories of information, namely the type of the research (or patent content), the microorganism involved in the research and the enzyme of commercial interest. With these three categories of information, we applied the NK-model to examine the presence of specialization patterns among `type-microorganism-enzyme¿. It is expected that with the maturation of enzymatic hydrolysis route, there will be a reduction in the number of microorganisms studied, a gradual choice of the most suitable microorganisms and a focus on certain enzymes, reducing the degree of uncertainty involved in the process. The investigation of these three dimensions, therefore, is to understand in what direction the public and private actors are focusing their efforts in terms of methods/research techniques, microorganisms and enzymes. These dimensions, as a whole, outline the technological trajectories in enzymatic hydrolysis and track the current stage of this route in a sectorial perspective / Doutorado / Teoria Economica / Doutora em Ciências Econômicas

Por sua capacidade de produzir e secretar uma mistura de enzimas durante seu crescimento em material lignocelulósico os fungos filamentosos são reconhecidos como importantes organismos no processo de degradação de biomassa. Porém, o processo demonstra-se limitado, uma vez que o polímero de lignina dificulta o acesso das enzimas celulolíticas a estrutura da celulose. Nesse contexto, o objetivo do presente estudo foi identificar fungos filamentosos capazes de produzir enzimas oxidorredutases e avaliar sua utilização em complemento a enzimas celulases de Trichoderma reesei no processo de sacarificação do bagaço de cana-de-açúcar. Cepas de fungos foram avaliadas quanto a sua capacidade em degradar compostos modelo de lignina, permitindo a seleção e identificação do fungo Pestalotiopsis sp., um ascomiceto com grande importância em biotecnologia. O fungo foi avaliado quanto a sua capacidade de produzir enzimas oxidorredutases e celulases. Os resultados mostraram uma maior atividade da enzima lacase (7,18 U/mg ao 6° dia de cultivo) em relação as outras enzimas estudadas. Os sobrenadantes de T. reesei e Pestalotiopsis sp. foram concentrados 5x e utilizados no ensaio final de sacarificação do bagaço de cana-de-açúcar. O coquetel enzimático produzido a partir da mistura do sobrenadante de T. reesei como o sobrenadante de Pestalotiopsis sp. produziu maior quantidade de açúcares redutores, gerando 15,52 g/L contra 12,29 g/L da amostra controle após 24 horas. Além disso, foi avaliada a atividade enzimática durante o processo de sacarificação. Constatou-se que no coquetel enzimático ocorre um aumento na atividade de celulases em relação ao controle durante as primeiras 6 horas de reação, podendo estar relacionado a despolimerização da lignina pelas enzimas oxidorredutases. Concluiu-se que para a produção de coquetéis enzimáticos mais eficientes para a degradação da biomassa vegetal, podem ser combinados diferentes grupos de enzimas provenientes de diferentes fungos. Assim, são necessários mais estudos acerca do papel de diferentes enzimas durante o processo e a identificação de novos microrganismos e seus perfis de secreção. / Due to its capacity to produce and secrete a mixture of enzymes during its growth in lignocellulosic material the filamentous fungi are recognized as important organisms in the process of degradation of biomass. However, the process is shown to be limited, since the lignin polymer hinders the access of cellulolytic enzymes to the cellulose structure. In this context, the objective of the present study was to identify filamentous fungi capable of producing oxidoreductase enzymes and to evaluate its use in complement to the enzymes cellulases of Trichoderma reesei in the saccharification process of sugarcane bagasse. Fungi strains were evaluated for their ability to degrade lignin model compounds, allowing the selection and identification of the fungus Pestalotiopsis sp., an ascomycete with great importance in biotechnology. The fungus was evaluated for its ability to produce oxidoreductase enzymes and cellulases. The results showed a higher activity of the enzyme laccase (7.18 U / mg) at the 6th day of culture in relation to the other enzymes studied. Supernatants of T. reesei and Pestalotiopsis sp., were concentrated 5x and used in the final saccharification test of sugarcane bagasse. The enzymatic cocktail produced from the mixture of T. reesei and Pestalotiopsis sp. supernatants produced a higher amount of reducing sugars, generating 15.52 g / L against 12.29 g / L of the control sample after 24 hours. In addition, the enzymatic activity during the saccharification process was evaluated. It was observed that in the enzymatic cocktail there is an increase in cellulase activity in relation to the control during the first 6 hours of reaction, and may be related to depolymerization of lignin by oxidoreductases enzymes. It was concluded that for the production of more efficient enzymatic cocktails for the degradation of the vegetal biomass, different groups of enzymes from different fungi can be combined. Thus, further studies are needed on the role of different enzymes during the process and the identification of new microorganisms and their secretion profiles.

Neste trabalho investigamos a porosidade nanométrica de materiais lignocelulósicos derivados do bagaço de cana-de-açúcar que foram submetidos à compressão úmida. A produção dos materiais estudados a partir do bagaço de cana-de-açúcar utilizou processos de tratamento hidrotérmico seguido de processos de deslignificação organossolve (etanol-água) e soda (hidróxido de sódio). Os tratamentos hidrotérmicos utilizaram a fração fibra do bagaço de cana-de-açúcar, no estado bruto e moído, seguindo planejamento experimental fatorial de 2² com ponto central mais configuração estrela. O tratamento hidrotérmico ocorreu em temperaturas de 150-190°C com tempos de 20-60 minutos. Os processos de deslignificação utilizaram temperaturas de 160°C e 190°C para o processo soda e organossolve respectivamente, com tempos de 20, 40, 60, 80 e 100 minutos de tratamento. Os ensaios de compressão úmida foram realizados com cargas de 5, 10, 15, 20 e 25 toneladas e mostraram que materiais mais homogêneos e com menor granulometria, como o material moído e as polpas, são mais fáceis de comprimir. No entanto, os ensaios mostraram que os materiais comprimidos não são homogêneos, apresentando uma variação no teor de humidade do material comprimido (o centro da pastilha é mais seco que a periferia). O adensamento dos materiais também não é homogêneo, sendo o centro mais denso que a periferia das pastilhas. A perda de água durante a compressão foi de 74-85% para o material tratado hidrotermicamente, 66-85% para as polpas obtidas no processo soda e 81-94% para as polpas obtidas no processo organossolve. As análises de termoporometria mostraram que fração apreciável da porosidade nanométrica dos materiais deslignificados é colapsada com as menores pressões aplicadas (21 MPa). Incrementos de pressão (até carga de 107 MPa) promovem reduções comparativamente muito menores na porosidade nanométrica. / In this work we investigate the nanometric porosity of lignocellulosic materials derived from sugarcane bagasse and tested for wet pressing. The production of the studied materials from sugarcane bagasse employed hydrothermal treatments followed by organosolv (ethanol-water) and soda (sodium hydroxide) delignifications. For the hydrothermal treatments, we used bagasse fiber fractions in crude and milled states, following the factorial experimental design of 2² with central point plus star configuration. Hydrothermal treatment used temperatures of 150-190°C and times of 20-60 minutes. The delignification processes used temperatures of 160°C and 190°C for the soda and organosolv, respectively, with treatment times of 20, 40, 60, 80 and 100 minutes. Wet pressing was carried out with loads of 5, 10, 15, 20 and 25 tons and showed that materials with small and homogeneous particles such as the ground materials and the pulps are easier to compress and form a mass of material. However, the tests showed that the compressed materials are not homogeneous, presenting variations in the moisture content of the compressed materials (the center of the tablets were dryer than the periphery). Densification of the materials is also not uniform, the center being denser than the periphery. Water loss during compression was 74-85% for hydrothermally treated material, 66-85% for soda pulps and 81-94% for organosolv pulps. Thermoporometry analysis showed that appreciable fraction of the nanoscale porosity of the delignified materials collapse with the lowest applied pressures (21 MPa). Pressure increments (up to 107 MPa) promotes comparatively much lower reduction on nanoscale porosity.

Título original: Influência da granulometria do bagaço de cana-de-açúcar na solubilização de hemicelulose em meio ácido e alcalino / Orientador: Michel Brienzo / Banca: Lidyane Aline de Freita / Banca: Eleonora Cano de Carmona / Resumo: A grande capacidade da agricultura sucroalcooleira, aliada às suas dimensões continentais, faz do Brasil o maior produtor de cana-de-açúcar do mundo. O bagaço desta matéria-prima é um material lignocelulósico, remanescente da moagem dos seus colmos, é composto principalmente por celulose, hemicelulose e lignina, numa estrutura vegetal organizada que deve ser desestruturada mediante pré-tratamentos para disponibilizar a fração polissacarídica (celulose e hemicelulose). Objetivou-se com a presente pesquisa determinar a influência da granulometria do bagaço de cana-de-açúcar na extração/solubilização de hemicelulose na forma de polissacarídeo (macromolécula) e monossacarídeo (xilose). A extração da hemicelulose macromolecular foi realizada em condições otimizadas para bagaço de cana-de-açúcar, 6 % H2O2 m/v a 25 °C durante 4 h, utilizando bagaço selecionado em peneiras de 16, 30, 40, 50 mesh e base (material que passou pela peneira de 50 mesh). Para extração de hemicelulose na forma monomérica foi utilizado um pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído 20 % (m/m), sendo que as amostras foram autoclavadas a 121 ºC por 1 h; a xilose no filtrado foi quantificado por HPLC. Foi realizada também a condutividade, determinação do teor de cinzas totais, solubilidade da hemicelulose. Os resíduos sólidos dos pré-tratamentos foram submetidos a hidrólise enzimática (12 FPU/g - Cellic Ctec) para determinação do rendimento em glicose. O bagaço in natura apresentou conteúdo de glucana de 42,25 %... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The great capacity of sugar-alcohol agriculture, combined with its continental dimensions, makes Brazil the largest producer of sugar cane in the world. The bagasse of this raw material is a lignocellulosic material, reminiscent of the milling of its stems, is composed mainly of cellulose, hemicellulose and lignin, in an organized vegetable structure that must be destructured by means of pre-treatments to provide the polysaccharide fraction (cellulose and hemicellulose). The objective of this research was to determine the influence of sugarcane bagasse granulometry on the extraction/solubilization of hemicellulose in the form of polysaccharide (macromolecule) and monosaccharide (xylose). Macromolecular hemicellulose extraction was performed under optimized conditions for sugarcane bagasse, 6 % H2O2 m / v at 25 °C for 4 h, using bagasse selected in 16, 30, 40, 50 mesh sieves and base (material which passed through the 50 mesh screen). For the extraction of hemicellulose in the monomeric form, a pretreatment with sulfuric acid diluted 20 % (m/m) was used, and the samples were autoclaved at 121 ºC for 1 h; the xylose in the filtrate was quantified by HPLC. Conductivity, determination of total ash content and solubility of hemicellulose were also performed. The solid residues of the pre-treatments were submitted to enzymatic hydrolysis (12 FPU/g - Cellic Ctec) to determine the glucose yield. The bagasse in natura had glucan content of 42.25 %, arabinana of 2.62 %, xylan of 25.39 ... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre