As tecnologias de conversão de biomassa para produção de biocombustíveis são principalmente desenvolvidas de forma empírica, baseadas na compreensão das suas propriedades biológicas e químicas. Muitos estudos de variações de parâmetros de processo são realizados, porém todos encontram dificuldades na compreensão do que ocorre com o material lignocelulósico durante as reações. Neste contexto, os estudos topoquímicos tornam-se uma ferramenta de fundamental importância para elucidar estes mecanismos. Este trabalho tem por objetivo avaliar diferentes condições de pré-tratamento hidrotérmico seguida de deslignificação alcalina de bagaço e palha de cana de açúcar. E, a partir de uma condição otimizada, compreender, o que ocorre com a parede celular vegetal durante estes processos de modificação. O bagaço e a palha de cana apresentaram comportamentos distintos ao final do seu processamento. Observou-se uma maior mudança morfológica do bagaço comparado à palha, a qual apresentou exposição das fibras, porém ainda agregadas. Tal fato pode ser explicado pela menor remoção de lignina e hemicelulose desta biomassa quando comparada as mesmas condições de processamento do bagaço. Este fator contribuiu para uma maior digestibilidade da celulose de bagaço, devido a uma área maior de contato da enzima com o substrato e minimização da interferência de inibidores, como a lignina. As condições de pré-tratamento mais promissoras para o bagaço e a palha foram a 180oC por 20 e 30 min. respectivamente, mostrando que a palha necessita de tratamentos mais prolongados para obter uma maior digestibilidade no processo de hidrolise enzimática. A condição otimizada para o bagaço de cana foi utilizada para caracterização das mudanças que ocorrem nas células de parênquima e feixes vasculares do colmo da cana, em diferentes regiões de crescimento, após o seu processamento. Os resultados mostraram uma variação de tamanho das células em função do crescimento da planta sendo a diferença entre medula e casca mais pronunciada para a região do topo da cana, onde observou-se 60% de diferença no tamanho das células de parênquima. Além disso, observou-se que após processamento estas células e os feixes vasculares perderam sua conformação estrutural e tornaram-se mais frágeis, após secagem, evidenciando a significativa remoção dos componentes estruturais. Os dados de microscopia Raman revelaram que a lignina das células de parênquima foi totalmente removida após a deslignificação, diferentemente do que ocorreu com os feixes vasculares, os quais apresentaram lignina principalmente localizada nos cantos das células. Em relação à orientação de celulose foi possível determinar que a parte inicial do colmo da cana apresenta duas direções preferenciais de orientação, sendo uma paralela e outra perpendicular ao eixo de crescimento da planta, que podem estar associadas à fase de maturação da cana que se apresenta incompleta, uma vez que a parte intermediária e topo da cana apresentam apenas uma direção preferencial evidenciando que a contribuição da camada S1 é proeminente, sendo a camada secundária S2 ainda não depositada. Outro indicativo de maturação incompleta pode ser associado à porosidade do parênquima e feixes vasculares, os quais apresentam o topo da cana mais poroso, que indica um processo de lignificação incompleto. Os resultados revelam que o processo de pré-tratamento contribui para um aumento de até 54% na porosidade, sendo este tratamento o mais impactante nesta variável, uma vez que o processo de deslignificação não alterou significativamente a porosidade das células. / Studies of fuels from renewable sources are a topic of fundamental importance. Taking into account, the production of ethanol from biomass, such as bagasse and straw sugarcane, offers benefits to sustainable production and energy security. Biomass conversion technologies are mainly developed empirically, based on chemical and biological properties of biomass and many studies include variations of parameters of process. But there are difficulties to understand the changes of the lignocellulosic material during reactions. In this context, topochemical studies are a tool of significant importance to elucidate these characteristics. This study aims to evaluate different conditions of hydrothermal pretreatment followed by a fixed condition of alkaline delignification of straw and bagasse sugarcane. Additionally, this work deals the evaluation of plant cell wall modification during hydrothermal pretreatment an alkaline delignification in the optimized condition, considering the best cellulose digestibility at enzymatic hydrolysis process of bagasse. Results reveal a different behavior of bagasse and straw from sugarcane at the end of its processing. There was a greater morphological change of sugarcane bagasse compared to straw, which presented exposure of the fibers, but also aggregated. This fact can be explained by less removal of lignin and hemicellulose of this biomass compared to the same processing conditions of bagasse. The exposure of fibers contributed to increase the cellulose of bagasse digestibility, since there was a greater area of contact of the enzyme with the substrate and a minimization of interference from inhibitors, such as lignin. The conditions of pretreatment most promising for bagasse and straw sugarcane were 180oC for 20 and 30 min. respectively, showing that the straw requires longer treatments to reach a higher digestibility in the enzymatic hydrolysis process. The optimal condition for the sugarcane bagasse was used to characterize the changes in parenchyma cells and vascular bundles from stalk of sugarcane at different growth regions, after its processing. The results showed a variation of cell size depending on growth of the plant. The top of sugarcane stalk presented the more pronounced difference between parenchyma cells from pith and rind region. Furthermore, it was observed that after processing these cells and vascular bundles lost its structural conformation and become more fragile after drying. This result indicated the significant removal of the structural components for all growth region of sugarcane stalk analyzed. Differently from vascular bundles, which presented lignin mainly located in the cell corners, the lignin from parenchyma cells was completely removed after delignification. Regarding the orientation of cellulose, determined by SAXS and Raman microscopy, the parenchyma cells from initial part of stalk presented two preferential directions of orientation, one parallel and other perpendicular to the axis of plant growth. This feature may be associated with maturation phase of sugarcane which appears incomplete, since the middle and top part of the stalk showed only one preferred direction, indicating that the contribution of the layer S1 is prominent, and the S2 layer is not deposited. Another indication of incomplete maturation process may be associated with porosity of parenchyma and vascular bundles, which have the top of the cane more porous that indicates an incomplete lignification process. The results showed that the pretreatment can be considered the most important treatment which affects this variable, since promotes an increase of up to 54% in porosity, differently of alkaline delignification process which no presented significant changes in the porosity of the cells.

A queimada da palha da cana-de-açúcar como método preparatório à colheita é prática bastante polêmica e combatida, que está amparada por vários atos legislativos e conta com o apoio de setores dos três poderes constituídos. Contudo, esta proteção legislativa específica não outorga a ela a licitude, que é a harmonia com os princípios legais e sociais e com a aprovação da sociedade, que devem nortear qualquer lei e é necessária à sua subsistência. Neste trabalho é examinada a licitude das queimadas da palha da cana-de-açúcar, considerando diversos impactos que elas provocam no meio ambiente (flora, fauna, saúde humana, ar, água, solo, clima e meio de trabalho) e na economia. São analisados os argumentos favoráveis e contrários às queimadas, expostos por juízes, promotores de justiça, doutrinadores, entidades ambientais, pesquisadores, usineiros, cortadores de cana e profissionais de diversas áreas de interesse à matéria. Com a análise é possível concluir que a queimada da palha da cana-de-açúcar, apesar de sua econômica e social, é prática nociva ao meio ambiente e contrária a princípios sociais e legais relevantes e, por isso, deve ser reputada ilícita e não pode continuar a ser praticada. / Burned sugar cane husk as a harvest preparatory method is a very polemic and combated practice, although it is being sustained by many law acts and is supported by departments of the three Powers. However, this specific legislative protection doesn\'t award to this action the necessary lawful, which means having the harmony of the legal and social principals and the society approval, guiders of any law and its necessary support. At the present work the lawful for burned sugar cane husk is discussed considering its impacts over the environment (animals, plants, human health, air, water, soil, climate and working space) and on the economy. The arguments forward and against the burned sugar cane husk are examined through judicial decisions, public prosecutors actions, environmental entities, doctrines, scientists, the sugar cane workers and others involved with the subject. The conclusion is that burned sugar cane husk as a harvest preparatory method, even considering its economic and social importance, is a harmful practice to the environment and opposing to relevant social and legal principals and, therefore, has to be considered unlawful and also to be extinguished as a practice.

A manutenção da palha de cana-de-açúcar sobre a superfície do solo promove diversos benefícios à qualidade do solo, como a redução das altas temperaturas e a manutenção da umidade do solo. Com base nisso, os objetivos deste trabalho consistiram em avaliar o impacto da palha de cana-de-açúcar na dinâmica da umidade e da temperatura do solo em situações edáficas distintas em três regiões do Estado de São Paulo e verificar a influência da temperatura e umidade do solo na decomposição de diferentes quantidades de palha de cana-de-açúcar. O estudo foi conduzido nos municípios de Igaraçu do Tietê, Piracicaba e Dois Córregos (solo muito argiloso, textura média e arenoso, respectivamente) com delineamento experimental de blocos ao acaso. As quantidades de palha utilizadas foram: 0; 2; 3,2; e 7,5 Mg ha-1 (Igaraçu do Tietê) e 0; 3; 6; e 12 Mg ha-1 (Piracicaba e Dois Córregos). Para a determinação da umidade do solo foram realizadas coletas periódicas de amostras indeformadas de solo nas linhas de plantio (0-20, 20-40, 40-60 e 60-80 cm de profundidade) e analisadas através do método da pesagem. A avaliação da temperatura do solo foi feita por sensores termopares inseridos no solo a 0-5 e 5-10 cm de profundidade. Na análise da decomposição da palha utilizaram-se caixas plásticas onde as diferentes quantidades de palha foram mantidas. Cinco coletas de palha (30, 60, 120 e 180 e 360 dias após a implantação do experimento) foram realizadas para quantificar a perda de massa. Os resultados demonstraram que em relação ao solo descoberto, os tratamentos com diferentes quantidades de palha interferiram significativamente (p<=0,05) na manutenção da umidade do solo, principalmente entre 7 e 30 dias após o corte nas camadas de 0-20 e 20-40 cm. A temperatura média, máxima e amplitude térmica do solo foram as variáveis que apresentaram as maiores diferenças entre o solo descoberto e o solo com diferentes quantidades com palha, com um comportamento semelhante nas duas profundidades avaliadas. A temperatura mínima foi a variável que menos sofreu efeito dos tratamentos. Em geral, quando foram mantidas quantidades maiores de palha sobre a superfície do solo verificou-se maior umidade e menor a amplitude térmica do solo. A textura do solo afetou a dinâmica da água do solo, onde a manutenção da palha sobre solo arenoso manteve maior a umidade em todas as camadas avaliadas em comparação aos solos de textura mais argilosa que apresentaram diferenças apenas na fase inicial de crescimento da cultura. Diferentes quantidades de palha mantidas sobre o solo pouco alteraram a matéria seca remanescente de palha nas em Piracicaba e Dois Córregos, enquanto em Igaraçu do Tietê o processo foi diretamente proporcional a quantidade de palha mantida na superfície do solo. Os resultados demonstram a importância da adoção de práticas conservacionistas de manejo como a manutenção de parte da palha, de modo que concilie a produção de etanol de segunda geração (2G) e evite eventuais problemas com déficit hídrico, temperaturas extremas e consequentes implicações negativas às plantas. / The sugarcane straw maintenance on soil surface promotes several benefits to soil quality, such as reduction of extreme temperatures and preservation of soil moisture. Based on this, the objective of this study was to evaluate the sugarcane straw removal effects on the soil moisture and temperature dynamics in three regions of São Paulo State, as well as verify the influence of soil temperature and moisture on the sugarcane straw decomposition. The study was conducted in the municipalities of Igaraçu do Tietê, Piracicaba and Dois Córregos (clay soil, medium texture and sandy soil, respectively), under a randomized block experimental design. The amounts of straw were: 0; 2; 3.2; and 7.5 Mg ha-1 (Igaraçu do Tietê) and 0; 3; 6; and 12 Mg ha-1 (Piracicaba e Dois Córregos). Undisturbed soil samples were periodically collected within the crop planting line at the 0-20, 20-40, 40-60 and 60-80 cm depths, and the soil moisture was quantified using the weighing method. The soil temperature was mensured every hour by thermocouple sensors inserted at 0-5 and 5-10 cm soil depths. In the straw decomposition analysis, plastic boxes were used to keep the different amounts of straw over time. Five destructive sampling were performed (30, 60, 120 and 180 and 360 days after the experiment implantation) to quantify dry mass losses. The results showed that, in relation to the uncovered soil, the treatments with different amounts of straw preserved higher soil moisture (p<=0,05), especially, between 7 and 30 days in the 0-20 and 20-40 cm soil depths. The average temperature, maximum and thermal amplitude of the soil were the variables that presented the greatest differences between the uncovered soil and the soil with different amounts of straw, with a similar pattern for both depths evaluated. The minimum temperature was less effected by the treatments. Overall, the larger the straw amount left on soil surface the higher the soil moisture and lower the soil thermal amplitude. Soil texture affected soil water dynamics, where straw maintenance on sandy soil kept moisture at all depths compared to clayey soils that showed differences only in the initial growth stage of the crop. Different amounts of straw left on the soil surface slightly altered the remaining dry matter in Piracicaba e Dois Córregos, while in Igaraçu do Tietê the process was inversely proportional to the amount of straw left on the soil surface. The results showed the importance of the adoption of conservationist management practices such as the straw maintenance, so that part can be destined for the production of second generation ethanol (2G) and another part can be maintained in the field to avoid possible problems with water deficit, extreme temperatures and consequent negative implications to plants.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:57:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6815.pdf: 3994382 bytes, checksum: 2a2e4e4a401cef8480b7d85ce94ee511 (MD5) Previous issue date: 2015-03-06 / For biofuels production, the recovery of lignocellulosic feedstock is seen as a promising alternative, both from environmental and economic point of views. Among the lignocellulosic biomasses most important in Brazil, sugarcane straw plays a prominent position regarding the production of second generation ethanol (E2G), due to its great availability in the field. One of the main challenges involving the production of second generation ethanol is to obtain high conversion rates of polysaccharides into fermentable sugars, in the hydrolysis step. A solid knowledge is an important pre-requisite to optimize the conversion of lignocellulosic biomass into ethanol. In this context, the aim of this work is to study the kinetics of the enzymatic hydrolysis of cellulose from hydrothermally pretreated sugarcane straw (HPS) (195oC, 10 min e 200 rpm) and hydrothermally pretreated followed by alkaline pretreatment (NaOH 4% w/v, 30 min, 121oC). The influence of process variables as stirring speed, pH, temperature and, concentration of substrate and enzyme was evaluated. Experiments using HPS were carried out in Erlenmeyers (50oC, pH 5, 5 FPU.gcellulose -1 e 10% solids m/v) with shaking from 0 to 300 rpm. Then, the influences of pH and temperature were analyzed. Initially, the pH was ranged from 3 to 7 and afterwards, the temperature was varied from 40 to 60oC. After determining and setting the ideal conditions of agitation, pH and temperature, it was studied the effect of substrate and enzyme concentration for both pretreated and delignified biomass. In order to verify the effect of substrate concentration, solid load was varied in a range of 2.5 to 10.0% (w/v), in initial velocity and long term assays. Enzyme concentration (Cellic®CTec2 Novozymes S/A) was varied from 275 to 5,000 FPU.Lsolution -1 (5 to 80 FPU.gcellulose -1), with solid load settled at 10% (w/v). Finally, it was possible to fit Michaelis-Menten (MM), modified MM, with and without competitive inhibition by glucose, and Chrastil model. For HPS, modified MM model with inhibition (suitable for heterogeneous system, with high resistance to diffusion) was fitted. For alkaline delignified HPS pseudo-homogeneous and modified MM models were fitted. The Chrastil model was also used to fit long term assays for both pretreated biomass. The fitted models were able to identifying key features of the hydrolysis process, and, therefore, useful within the perspective of engineering bioreactors. / O aproveitamento de resíduos lignocelulósicos é visto como uma alternativa promissora, tanto do ponto de vista ambiental quanto econômico, para produção de biocombustíveis. Dentre as biomassas lignocelulósicas de maior importância no território nacional, a palha de cana-de-açúcar ocupa posição de destaque no que se refere à produção de etanol de segunda geração (E2G) por apresentar grande disponibilidade no campo. Um dos principais desafios que envolvem a produção de E2G é obter altas conversões de polissacarídeos em açúcares fermentescíveis, durante a etapa de hidrólise enzimática, de maneira que otimizar esta etapa requer um bom conhecimento da cinética de reação. Neste contexto, este trabalho teve por objetivo realizar o estudo cinético da etapa de hidrólise enzimática da fração celulósica da palha de cana-de-açúcar, pré-tratada hidrotermicamente (PTH) (195oC, 10 min e 200 rpm) e pré-tratada hidrotermicamente, seguida de prétratamento alcalino (PA) (NaOH 4% m/v, 30 min, 121oC). Neste estudo, foi analisada a influência das seguintes variáveis de processo: velocidade de agitação, pH, temperatura e concentrações de enzima e substrato. Experimentos empregando palha PTH foram realizados em Erlenmeyers (50oC, pH 5, 5 FPU.gcelulose -1 e 10% sólidos m/v) com agitações de 0 a 300 rpm. Em seguida, foram analisadas as influências do pH e da temperatura. Inicialmente, o pH foi variado de 3 a 7 e, posteriormente, a temperatura foi variada de 40 a 60oC. Após determinadas e fixadas as condições ótimas de agitação, pH e temperatura, estudaram-se os efeitos da concentração de substrato e enzima para ambas as biomassas (PTH e PTH com PTA). Para verificar o efeito da concentração de substrato, a carga de sólidos variou de 2,5 a 10% (m/v), em ensaios de velocidade inicial e de longa duração. A concentração de enzima (Cellic®CTec2 Novozymes S/A) variou de 275 a 5000 FPU.Lsolução -1 (5 a 80 FPU.gcelulose -1), com carga de sólidos fixada em 10% (m/v). Finalmente, foi possível ajustar os modelos de Michaelis-Menten (MM) pseudohomogêneo e MM modificado, com e sem inibição competitiva por glicose, e o modelo de Chrastil. Para a palha PTH um modelo de MM modificado com inibição (adequado para sistemas heterogêneos, com alta resistência à difusão) mostrou-se mais apropriado do que o MM pseudo-homogêneo. Para a palha PTH seguida de PTA, o modelo de MM modificado com inibição também foi mais adequado do que o MM pseudo-homogêneo. O modelo de Chrastil também foi aplicável na modelagem de ambas as biomassas pré-tratadas. Os modelos foram capazes de identificar características essenciais do processo de hidrólise, sendo, úteis dentro da perspectiva da engenharia de biorreatores.

Submitted by Alison Vanceto (alison-vanceto@hotmail.com) on 2017-01-26T10:38:48Z No. of bitstreams: 1 TeseRBAS.pdf: 3071110 bytes, checksum: 4bc20655670d1f098b42e903740d3795 (MD5) / Approved for entry into archive by Camila Passos (camilapassos@ufscar.br) on 2017-02-08T11:17:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseRBAS.pdf: 3071110 bytes, checksum: 4bc20655670d1f098b42e903740d3795 (MD5) / Approved for entry into archive by Camila Passos (camilapassos@ufscar.br) on 2017-02-08T11:18:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseRBAS.pdf: 3071110 bytes, checksum: 4bc20655670d1f098b42e903740d3795 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-08T11:18:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseRBAS.pdf: 3071110 bytes, checksum: 4bc20655670d1f098b42e903740d3795 (MD5) Previous issue date: 2016-04-08 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / The complex cell wall structure of lignocellulosic biomass makes pretreatment one of the most relevant 2G ethanol production process steps due to the difficulty of hydrolyzing lignocellulose to fermentable sugars and the cost of the process as a whole. The optimization of enzymatic hydrolysis conditions is crucial for reaching high yields that make the process feasible. In this way, the aim of this work is to assess the stages of pretreatment and enzymatic hydrolysis of the cellulosic fraction of straw sugarcane. All samples were chemically characterized before and after the pretreatment step. Hydrothermally pretreatment was evaluated in four conditions: 170ºC / 5 min, 170ºC / 15 min, 220°C / 5 min, 220°C / 5 min, and 195ºC / 10 min. Higher hemicellulose removal (85.58%) was found at 195ºC / 10 min. This operational condition was set as a reference. Hydrolysis experiments were carried out in Erlenmeyer flasks at 50ºC, 250 rpm and pH 4.8, with a reaction volume of 50 mL. Two sets of experiments were performed. In the first, the effect of substrate concentration was evaluated varying solid load (5; 10; 15; 20% msolid/vsolution) with enzyme load constant in 13 FPU.gbiomass. At 72h of enzymatic reaction, cellulose conversions were: 72% (5% of solids), 84% (10% of solids), 72% (15% of solids), and 59% (20% solids). In the second set, the enzyme (Cellic®CTec2) load effect (3; 7; 10; 13; 16; 40 FPU/gbiomass) with solid load settled at 15% (msolid/vsolution), was assessed. For assays with 15% of solid load, cellulose conversions were: 48% (3 FPU/gbiomass), 58% (7 FPU/gbiomass), 66% (10 FPU/gbiomass), 72% (13 FPU/gbiomass), 71% (16 FPU/gbiomass), and 74% (40 FPU/gbiomass). A trade-off between solid load and enzyme dosage was found (15% m/v and 13 FPU/gbiomass) which results in 72,4% of cellulose to glucose conversion. After that it was studied the products inhibition effect on hydrolysis was assessed. glucose and cellobiose (10 and 30g.L-1) caused a higher inhibitory effect. Xylose did not show the significant inhibitory effect on β-glucosidase. However, glucose and cellobiose had significant inhibitory effects on endoglucanase and exoglucanase as well as on β-glucosidase. Hydrolysis experiments were conducted in the batch reactor (3 L) with 10% solids to compare the performance with the hydrolysis conducted in Erlenmeyer flasks. At 72h hydrolysis cellulose to glucose, conversion was obtained in 84.8% (Erlenmeyer flask) and 80.2% (in the reactor); hydrolysis profiles obtained were similar in both conditions evaluated. In face of this, it was opted by conduct experiments in bioreactor (50 mL) using solid loads of 15 and 20% showed the best cellulose to glucose conversions when compared to those carried out in shake flasks in the same conditions. / A complexa estrutura da parede celular da biomassa lignocelulósica torna o pré-tratamento uma das etapas operacionais do processo de produção do etanol 2G mais relevantes, devido tanto à dificuldade de se hidrolisar lignocelulose a açúcares fermentescíveis quanto ao custo do processo como um todo. A otimização das condições de pré-tratamento hidrotérmico e hidrólise enzimática é crucial, para atingir altos rendimentos que tornem o processo de produção de etanol 2G viável. Assim, o objetivo deste trabalho foi estudar as etapas de pré-tratamento hidrotérmico e hidrólise enzimática da fração celulósica da palha de cana-de-açúcar. Todas as amostras foram caracterizadas quimicamente antes e após o pré-tratamento. Neste estudo foram avaliadas quatro condições de pré-tratamento: 170oC/5 min., 170oC/15 min., 220ºC/5 min, 220ºC/15 min e 195oC/10 min. A amostra proveniente do tratamento a 195oC/10 min. foi a que obteve maior remoção de hemicelulose, 85,58%, sendo essa condição de tratamento empregada como referência. Os experimentos de hidrólise enzimática foram realizados em frascos de Erlenmeyer a 50oC, 250 rpm e pH 4,8 (volume reacional de 50 mL). Foram avaliados o efeito da carga de sólidos (5, 10, 15 e 20% m/v) mantendo a carga enzimática em 13 FPU/gbiomassa. Em 72h de hidrólise as conversões de celulose obtidas foram: 72% (5% de sólidos), 84% (10% de sólidos), 72 % (15% de sólidos) e 59% (20% de sólidos). Em seguida foram avaliados o efeito da carga de enzima (3, 7, 10, 13, 16, e 40 FPU/gbiomasssa) mantendo a carga de sólidos em 15%. Nos experimentos realizados com 15% de sólidos as conversões obtidas foram: 48% (3 FPU/gbiomasssa), 58% (7 FPU/gbiomasssa), 66% (10 FPU/gbiomasssa), 72% (13 FPU/gbiomasssa), 71% (16 FPU/gbiomasssa) e 74% (40 FPU/gbiomasssa). Considerou-se como melhor resultado o ensaio com 15% de sólidos e 13 FPU/gcelulose, que resultou em 72,4% de conversão de celulose em glicose. Em seguida foi estudado o efeito de inibição dos produtos durante a hidrólise obtendo-se um maior efeito inibidor para a glicose e celobiose (10 e 30g.L-1). A xilose não apresentou efeito inibidor significativo sobre a -glicosidase, porém a glicose e a celobiose apresentaram efeitos inibitórios significativos tanto nas endoglucanase e exoglucanase quanto na -glicosidase. Foram realizados experimentos de hidrólises em reator de bancada (3 L) com 10% de sólidos para comparar o desempenho com as hidrólises realizadas em frascos de Erlenmeyer. Em 72h de hidrólise as conversões de celulose a glicose obtidas foram de 84,8% (em frasco de Erlenmeyer) e de 80,2% (em reator), os perfis de hidrólises obtidos foram similares em ambas às condições avaliadas. Diante do que foi colocado, optou-se pela realização de experimentos em reator (50 mL) nas cargas de sólidos de (15 e 20%) que então apresentaram melhores conversões de celulose a glicose quando comparados com os resultados de experimentos realizados em frascos de Erlenmeyer nas mesmas cargas de sólidos.

O processamento da cana gera vários co-produtos tais como, o bagaço e a palha, sendo esta considerada um dos principais resíduos gerados devido à mecanização da colheita. Assim, a disponibilidade e a composição desse resíduo de cana-de-açúcar têm impulsionado muitas pesquisas para o desenvolvimento de tecnologias que proporcionem o seu aproveitamento efetivo. Este trabalho teve como objetivo a separação dos principais componentes da palha de cana-de-açúcar para a obtenção de insumos químicos com maior valor econômico, sendo proposta a obtenção, caracterização e modificação da celulose desta biomassa vegetal, a ser utilizada na síntese da carboximetilcelulose (CMC) partindo da celulose branqueada por meio da combinação do processo químico com o enzimático, utilizando xilanase. Foi também avaliada a influência nas propriedades mecânicas, termogravimétricas e morfológicas das poliuretanas, ao adicionar-se celulose a esses polímeros obtidos a partir de óleo de mamona (Ricinus communis L.). A palha de cana foi pré-tratada por explosão a vapor e submetida à deslignificação alcalina. Foi realizado, posteriormente, o tratamento utilizando-se xilanase e então, a polpa foi branqueada com peróxido de hidrogênio. A polpa branqueada obtida foi utilizada para obtenção de CMC. Foi determinado o ganho de massa após a reação de obtenção e o grau de substituição da CMC obtida. A polpa deslignificada (celulose) foi utilizada como reforço para obtenção de biocompósitos com poliuretana obtida a partir do óleo de mamona. Os biocompósitos obtidos foram analisados por calorimetria exploratória diferencial (DSC), termogravimetria (TGA), foram determinadas as propriedades mecânicas, microscopia eletrônica de varredura e estudo de absorção de água. A adição de fibras de palha em matriz de PU de óleo de mamona melhorou as propriedades mecânicas comparado à matriz pura, e uma possível redução no custo sugere uma aplicação industrial do produto final. / The sugarcane processing generates various agricultural byproducts such as bagasse and straw, which is considered one of the main waste generated due to the mechanization of the harvest in Brazil. Thus, the availability and composition of sugarcane straw have driven a great effort to develop technologies that provide its effective utilization. This study aimed to separate the main components of sugarcane straw to obtain chemical products with higher economic value, and the proposed obtainment is the modification and characterization of cellulose biomass to be used in the synthesis of carboxymethylcellulose (CMC) based on the bleached pulp through a combination of chemical process with the enzyme, using xylanase. It was also studied the influence in mechanical, thermal and morphological properties of polyurethane obtained from castor oil (Ricinus Communis L.) reinforced composites. Sugarcane straw was pretreated by steam explosion, delignified, treated with xylanase and bleached with hydrogen peroxide. The bleached cellulose obtained was used to produce CMC. It was determined the mass gain and the degree of substitution of the obtained CMC. The delignified pulp (cellulose) was used as reinforcement in composites of polyurethane obtained from castor oil. The biocomposites were analysed by differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetry (TGA), and it was also determined the mechanical properties, scanning electron microscopy (SEM) and water absorption. The incorporation of sugarcane straw fibers in the polyurethane matrix improved the mechanical properties compared with the pure matrix, and a possible reduction in the costs of production suggests a industrial application of the material.

Orientador: Ivonete Ávila / Resumo: A biomassa apresenta-se como uma promissora alternativa aos combustíveis fósseis por ser renovável, de baixo custo e amplamente disponível. Esta pode ser obtida a partir de resíduos agroindustriais mostrando-se como um importante modelo de energia sustentável. Os principais componentes da biomassa são hemicelulose, celulose e lignina e, por possuírem diferentes propriedades químicas, influenciam diretamente na eficiência de um processo de conversão termoquímica. Metodologias convencionais atualmente aceitas na determinação dos principais componentes da biomassa requerem maior tempo e possuem alto custo. A análise termogravimétrica (TG) é uma técnica rápida e de baixo custo, resultando em curvas TG/DTG que fornecem uma indicação do percentual de cada um dos componentes da biomassa. Entretanto, não há uma metodologia aceita no sentido de substituir o método convencional por via úmida na determinação dos constituintes de materiais lignocelulósicos. Portanto, o objetivo deste estudo é avaliar o efeito da interação entre os componentes do bagaço e da palha de cana-de-açúcar (hemicelulose, celulose e lignina), isolados por diferentes tratamentos químicos, por meio da análise de sinergismo em ensaios termogravimétricos. Este estudo contribuirá para a elaboração de uma metodologia para determinação dos teores desses componentes por meio da análise termogravimétrica, com precisão similar aos métodos convencionais. Os resultados da caracterização química e a caracterização físico-quími... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Biomass presents itself as a promising alternative energy source to replace or reduce the use of fossil fuels because it is renewable, low cost and widely available. This can be obtained from agro-industrial waste, showing itself as an important model of sustainable energy. The main components of biomass are hemicellulose, cellulose and lignin and, due to their different chemical properties, they directly influence the efficiency of a thermochemical conversion process. Currently, the accepted methodologies for determining the main components of biomass require time and are expensive. Thermogravimetric analysis (TGA) is a fast and low-cost technique, resulting in TGA/DTG curves that provide an indication of the percentage of each biomass components. However, there is no accepted methodology in the sense to replace the conventional wet method use to determining the lignocellulosic materials components. Therefore, the objective of this study is to evaluate the effect of the interaction between the components of sugarcane bagasse and straw (hemicellulose, cellulose and lignin), isolated by different chemical treatments, through the analysis of synergism in thermogravimetric tests. This study will contribute to the development of a methodology for determining the content of these components through thermogravimetric analysis, with precision similar to conventional methods. The results of chemical characterization and physico-chemical characterization by FTIR and DRX technique of t... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Neste trabalho, foi realizada a caracterização de ligninas de palha de cana-de-açúcar. O isolamento das ligninas se deu por acidólise branda e por polpação soda, precedida ou não por pré-tratamento com ácido diluído ou por explosão a vapor. A palha de cana e as ligninas foram caracterizadas por Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (CLAE), Espectrometrias no Infravermelho (FT-IR) e no Ultravioleta (UV), por Ressonância Magnética Nuclear de Prótons (1H RMN), Cromatografia de Permeação em Gel (GPC), Análise Termogravimétrica (TGA) e Calorimétrica (DSC), Análise Elementar e de Poder Calorífico Superior (PCS). A lignina técnica isolada por acidólise branda apresentou fórmula C9Har2,31Hal4,14O1,27(OH)ph0,58(OH)al1,19(OCH3)1,11 e relação H:G:S de 1 : 3,22 : 3,68, com 20% de condensação e massa molar média de 1908 Da. A cinética de termodegradação dessa lignina em atmosfera inerte se deu com energia de ativação de 13,90 kJ.mol-1, constante pré-exponencial 0,4799 min-1 e 42% em massa de carvão residual. Foram determinados, ainda, o coeficiente de extinção a 280 nm de 26,03 L.g-1 e o Poder Calorífico Superior de 23,72 kJ.g-1. A partir das informações obtidas em todas as análises, foi proposta uma estrutura para esta lignina. A deslignificação via polpação soda mostrou-se eficiente na remoção de lignina da matriz e foi verificado que, durante o processo, ocorre o rompimento de ligações entre a lignina e carboidratos, entretanto, algumas dessas ligações não são rompidas e o resíduo do processo, denominado lignina, contêm cerca de 17% carboidratos. A lignina soda apresentou poder calorífico superior de 25,14 kJ.g-1, 36% em massa de carvão residual e cinética de termodegradação com energia de ativação de 12,73 kJ.mol-1 e k0=0,4195 min-1. Foi verificado que as polpas soda que sofreram pré-tratamentos apresentaram um menor teor de lignina e maior solubilização de hemiceluloses. Estes tratamentos se mostraram eficientes na hidrólise dos complexos lignina-carboidrato e a ligninas obtidas apresentaram os menores teores de carboidrato residual e características estruturais diferentes das demais, mostrando-se mais condensadas em função das reações que ocorrem em meio ácido. Os coeficientes de extinção a 280 nm foram iguais a 24,2 L.g-1 e 23,3 L.g-1, respectivamente para as ligninas de explosão a vapor e pré-tratamento ácido e suas fórmulas estruturais determinadas por 1H RMN foram, respectivamente, C9Har1,59Hal4,12O0,84(OH)ph0,61(OH)al0,88(OCH3)1,51 e C9Har2,12Hal4,23O1,64(OH)ph0,83(OH)al0,58(OCH3)1,10. / In this work, the characterisation of lignins of sugarcane straw was made. The lignins were isolated by moderate acidolysis and soda process, preceded or not by either diluted acid or steam explosion pretreatments. The sugarcane straw and the lignins were characterised by High Performance Liquid Chromatography (HPLC), Infrared (FT-IR) and Ultraviolet (UV) Spectrometry, Proton Nuclear Magnetic Resonance (H1-RMN), Gel Permeation Chromatography (GPC), Thermogravimetrica analysis (TGA) and Differential Scattering Calormietry (DSC), Elemental Analysis and Heat Power (HP). The technical lignin isolated by moderate acidolysis has the formula C9Har2.31Hal4.14O1.27(OH)ph0.58(OH)al1.19(OCH3)1.11, H:G:S ratio of 1 : 3.22 : 3.68, is 20% condensed and its avarage molecular weight is 1908 Da. The thermal degradation kinetics analysis of this lignin in inert atmosphere was carried out, the results obtained were: activation energy of 13.80 kJ.mol-1, pre-exponential constant of 0.4799 min-1 and 42% residual char. The extinction coefficient obtained at 280 nm was 26.03 L.g-1 and the heat power 23.72 kJ.g-1. A structure was proposed for this lignin based on all the information obtained from these analyses. The delignification via soda process was efficient at removing lignin; during the process, the breaking of bonds between the lignin and carbohydrates was noticed, nevertheless, some of these bonds were not broken and the process residue, hereinafter called lignin, contains about 17% carbohydrates. The soda lignin has heat power of 25.14 kJ.g-1, 36% residual char and the thermal degradation kinetics ocurred with activation energy of 12.73 kJ.mol-1 and k0=0.4195 min-1. It was found that pretreated soda pulps have a lower lignin content and higher solubilisation of complexes, the lignins obtained had the lowest residual carbohydrates contents and different structural features from the untreated ones, being more condensed due to the reactions that occur in acid medium. The extinction coefficients at 280 nm obtained are 24.2 L.g-1 and 23.3 L.g-1, the structural formulas determined by 1H RMN are C9Har1.59Hal4.12O0.84(OH)ph0.61(OH)al0.88(OCH3)1.51 and C9Har2.12Hal4.23O1.64(OH)ph0.83(OH)al0.58(OCH3)1.10 for the steam explosion and acid pretreatment lignins, respectively.

A palha de cana-de-açúcar está se tornando uma biomassa lignocelulósica disponível a partir da progressiva introdução da colheita mecanizada da cana-deaçúcar no Brasil, situação que possibilita a utilização de uma parte desta como matéria-prima em processos de conversão termoquímica ou bioquímica. Além de pesquisas de uso da palha de cana para produção de bioenergia, a conversão bioquímica dos açúcares constituintes de sua fração hemicelulósica, particularmente a xilose, é uma rota potencial para seu aproveitamento na obtenção de produtos de alto valor agregado, como o xilitol. A importância deste poliol se deve às suas peculiares propriedades que permitem sua aplicação nas indústrias alimentícia, odontológica e farmacêutica, aliado ao fato do continuo e rápido crescimento de seu mercado mundial. No presente trabalho foi estudado o aproveitamento da fração hemicelulósica da palha de cana como matéria-prima na produção biotecnológica de xilitol, visando a valorização e incorporação desta biomassa em uma biorrefinaria de cana-de-açúcar. O elevado conteúdo de hemicelulose da palha de cana (27%), similar ao encontrado em outras biomassas lignocelulósicas avaliadas para produção de xilitol, e a maior proporção de xilose no hidrolisado hemicelulósico (71%) em relação aos outros açúcares constituintes, tornam esta biomassa potencial matéria-prima para este bioprocesso. A utilização do hidrolisado hemicelulósico de palha de cana concentrado e destoxificado como meio de fermentação para a bioconversão de xilose em xilitol por Candida guilliermondii FTI 20037 foi avaliada em diferentes fases da pesquisa. Na primeira, foi estudada a necessidade de suplementação nutricional do hidrolisado e a disponibilidade inicial de oxigênio, sendo realizadas fermentações em batelada em frascos Erlenmeyer de 125mL com 25mL ou 50mL de meio, 30oC, 200rpm e 48h. Foi demonstrado que a suplementação do hidrolisado com extrato de farelo de arroz, (NH4)2SO4 e CaCl2·2H2O resultou em aumento do valor da produtividade volumétrica de xilitol, enquanto que a menor disponibilidade inicial de oxigênio favoreceu a eficiência de bioconversão. A avaliação do efeito dos co-substratos maltose, sacarose, celobiose e glicerol sobre este bioprocesso revelou que o maior favorecimento foi obtido com sacarose (10gL-1), já que resultou nos máximos valores de concentração final de xilitol (41,36 ± 1,69 gL-1), eficiência de bioconversão (75,70 ± 0,73%) e produtividade volumétrica (0,61 ± 0,02 gL-1h-1), correspondentes a incrementos de 9,04%, 5,01% e 6,56%, respectivamente, em relação à condição ausente de cosubstratos. A adição ao hidrolisado hemicelulósico de palha de cana de Dimetilsulfóxido (DMSO), composto com capacidade de permeabilizante de membrana celular, não resultou no incremento da produção de xilitol, a qual, pelo contrário, foi reduzida em razão da diminuição no consumo de xilose e crescimento celular de C. guilliermondii FTI 20037. Os resultados obtidos no presente estudo indicam que a produção biotecnológica de xilitol a partir de hidrolisado hemicelulósico de palha de cana suplementado com sacarose pode ser considerada uma rota de conversão bioquímica promissora para a valorização e integração desta biomassa em uma biorrefinaria de cana-de-açúcar. / Sugarcane straw is becoming an available lignocellulosic biomass from the progressive introduction of non-burning harvest in Brazil, situation that enables the utilization of a portion of this material as feedstock in thermochemical and biochemical conversion processes. Besides the use of sugarcane straw for bioenergy production, biochemical conversion of the constituent sugars of its hemicellulosic fraction, particularly xylose, is a potential route for the use of this biomass to obtain high added value products, such as xylitol. The importance of this product is due to its particular properties that enable its application in food, dental and pharmaceutical industries, coupled with the fact of the continuous and rapid growth of its market. In the present work it was studied the utilization of sugarcane straw hemicellulosic fraction as feedstock for biotechnological production of xylitol, aiming at the valorization and integration of this biomass in a sugarcane biorefinery. The high hemicellulosic content of sugarcane straw (27%), similar to that found in other lignocellulosic biomasses evaluated for xylitol production, and the higher proportion of xylose in the hemicellulosic hydrolysate (71%) in relation to the other constituent sugars, make this biomass potential feedstock for this bioprocess. The utilization of the concentrated and detoxified sugarcane straw hemicellulosic hydrolysate as fermentation medium for xylose-toxylitol bioconversion by Candida guilliermondii FTI 20037 was evaluated in different stages. In the first one, it was studied the necessity of nutritional supplementation of the hydrolysate and initial oxygen availability, being carried out batch fermentations in 125mL Erlenmeyer flasks with 25mL or 50mL of medium, 30oC, 200rpm and 48h. It was demonstrated that the supplementation of the hydrolysate with rice bran extract, (NH4)2SO4 and CaCl2·2H2O resulted on the increment of the value of xylitol volumetric productivity, whereas the higher initial oxygen availability favored the bioconversion efficiency. The evaluation of the effect of the co-substrates maltose, sucrose, cellobiose and glycerol on this bioprocess revealed that the higher improvement was obtained with sucrose (10gL-1), since it resulted in the maximum values of final concentration of xylitol (41.36 ± 1.69 gL-1), bioconversion efficiency (75.70 ± 0.73%) and volumetric productivity (0.61 ± 0.02 gL-1h-1), corresponding to increments of 9.04%, 5.01% and 6.56%, respectively, in relation to the condition absent of co-substrates. The addition to the sugarcane straw hemicellulosic hydrolysate of Dimethyl-sulfoxide, a cell membrane permeabilizer, did not resulted on the increasing of the xylitol production, which, in fact, was reduced due to the diminution on xylose consumption and cell growth of C. guilliermondii FTI 20037. The results obtained in this study indicate that biotechnological production of xylitol from sugarcane straw hemicellulosic hydrolysate supplemented with sucrose can be considered a promissory biochemical conversion route for valorization and integration of this biomass in a sugarcane biorefinery.

A palha de cana-de-açúcar está se tornando uma biomassa lignocelulósica disponível a partir da progressiva introdução da colheita mecanizada da cana-deaçúcar no Brasil, situação que possibilita a utilização de uma parte desta como matéria-prima em processos de conversão termoquímica ou bioquímica. Além de pesquisas de uso da palha de cana para produção de bioenergia, a conversão bioquímica dos açúcares constituintes de sua fração hemicelulósica, particularmente a xilose, é uma rota potencial para seu aproveitamento na obtenção de produtos de alto valor agregado, como o xilitol. A importância deste poliol se deve às suas peculiares propriedades que permitem sua aplicação nas indústrias alimentícia, odontológica e farmacêutica, aliado ao fato do continuo e rápido crescimento de seu mercado mundial. No presente trabalho foi estudado o aproveitamento da fração hemicelulósica da palha de cana como matéria-prima na produção biotecnológica de xilitol, visando a valorização e incorporação desta biomassa em uma biorrefinaria de cana-de-açúcar. O elevado conteúdo de hemicelulose da palha de cana (27%), similar ao encontrado em outras biomassas lignocelulósicas avaliadas para produção de xilitol, e a maior proporção de xilose no hidrolisado hemicelulósico (71%) em relação aos outros açúcares constituintes, tornam esta biomassa potencial matéria-prima para este bioprocesso. A utilização do hidrolisado hemicelulósico de palha de cana concentrado e destoxificado como meio de fermentação para a bioconversão de xilose em xilitol por Candida guilliermondii FTI 20037 foi avaliada em diferentes fases da pesquisa. Na primeira, foi estudada a necessidade de suplementação nutricional do hidrolisado e a disponibilidade inicial de oxigênio, sendo realizadas fermentações em batelada em frascos Erlenmeyer de 125mL com 25mL ou 50mL de meio, 30oC, 200rpm e 48h. Foi demonstrado que a suplementação do hidrolisado com extrato de farelo de arroz, (NH4)2SO4 e CaCl2·2H2O resultou em aumento do valor da produtividade volumétrica de xilitol, enquanto que a menor disponibilidade inicial de oxigênio favoreceu a eficiência de bioconversão. A avaliação do efeito dos co-substratos maltose, sacarose, celobiose e glicerol sobre este bioprocesso revelou que o maior favorecimento foi obtido com sacarose (10gL-1), já que resultou nos máximos valores de concentração final de xilitol (41,36 ± 1,69 gL-1), eficiência de bioconversão (75,70 ± 0,73%) e produtividade volumétrica (0,61 ± 0,02 gL-1h-1), correspondentes a incrementos de 9,04%, 5,01% e 6,56%, respectivamente, em relação à condição ausente de cosubstratos. A adição ao hidrolisado hemicelulósico de palha de cana de Dimetilsulfóxido (DMSO), composto com capacidade de permeabilizante de membrana celular, não resultou no incremento da produção de xilitol, a qual, pelo contrário, foi reduzida em razão da diminuição no consumo de xilose e crescimento celular de C. guilliermondii FTI 20037. Os resultados obtidos no presente estudo indicam que a produção biotecnológica de xilitol a partir de hidrolisado hemicelulósico de palha de cana suplementado com sacarose pode ser considerada uma rota de conversão bioquímica promissora para a valorização e integração desta biomassa em uma biorrefinaria de cana-de-açúcar. / Sugarcane straw is becoming an available lignocellulosic biomass from the progressive introduction of non-burning harvest in Brazil, situation that enables the utilization of a portion of this material as feedstock in thermochemical and biochemical conversion processes. Besides the use of sugarcane straw for bioenergy production, biochemical conversion of the constituent sugars of its hemicellulosic fraction, particularly xylose, is a potential route for the use of this biomass to obtain high added value products, such as xylitol. The importance of this product is due to its particular properties that enable its application in food, dental and pharmaceutical industries, coupled with the fact of the continuous and rapid growth of its market. In the present work it was studied the utilization of sugarcane straw hemicellulosic fraction as feedstock for biotechnological production of xylitol, aiming at the valorization and integration of this biomass in a sugarcane biorefinery. The high hemicellulosic content of sugarcane straw (27%), similar to that found in other lignocellulosic biomasses evaluated for xylitol production, and the higher proportion of xylose in the hemicellulosic hydrolysate (71%) in relation to the other constituent sugars, make this biomass potential feedstock for this bioprocess. The utilization of the concentrated and detoxified sugarcane straw hemicellulosic hydrolysate as fermentation medium for xylose-toxylitol bioconversion by Candida guilliermondii FTI 20037 was evaluated in different stages. In the first one, it was studied the necessity of nutritional supplementation of the hydrolysate and initial oxygen availability, being carried out batch fermentations in 125mL Erlenmeyer flasks with 25mL or 50mL of medium, 30oC, 200rpm and 48h. It was demonstrated that the supplementation of the hydrolysate with rice bran extract, (NH4)2SO4 and CaCl2·2H2O resulted on the increment of the value of xylitol volumetric productivity, whereas the higher initial oxygen availability favored the bioconversion efficiency. The evaluation of the effect of the co-substrates maltose, sucrose, cellobiose and glycerol on this bioprocess revealed that the higher improvement was obtained with sucrose (10gL-1), since it resulted in the maximum values of final concentration of xylitol (41.36 ± 1.69 gL-1), bioconversion efficiency (75.70 ± 0.73%) and volumetric productivity (0.61 ± 0.02 gL-1h-1), corresponding to increments of 9.04%, 5.01% and 6.56%, respectively, in relation to the condition absent of co-substrates. The addition to the sugarcane straw hemicellulosic hydrolysate of Dimethyl-sulfoxide, a cell membrane permeabilizer, did not resulted on the increasing of the xylitol production, which, in fact, was reduced due to the diminution on xylose consumption and cell growth of C. guilliermondii FTI 20037. The results obtained in this study indicate that biotechnological production of xylitol from sugarcane straw hemicellulosic hydrolysate supplemented with sucrose can be considered a promissory biochemical conversion route for valorization and integration of this biomass in a sugarcane biorefinery.