O bagaço de cana de açúcar é um resíduo lignocelulósico que, após a sua hidrólise, pode ser utilizado como substrato para a produção de hidrogênio (H2) por fermentação. O objetivo deste trabalho foi realizar pré-tratamentos do bagaço de cana com os ácidos clorídrico (HCl) e fosfórico (H3PO4) para a solubilização de carboidratos, produzindo o mínimo de inibidores, bem como para tornar a sua estrutura mais suscetível à hidrólise enzimática. Além disso, foi verificada a possibilidade de utilização dos hidrolisados na produção biológica de H2 por uma cultura mista de micro-organismos. A otimização das condições de pré-tratamento com os ácidos foi feita por meio de um planejamento experimental, variando-se a concentração entre 0,64 e 7,36 % (m/v), a temperatura de 63,20 a96,80°C e o tempo de 38,40 a 441,60 min. Nos hidrolisados obtidos foram determinadas as concentrações de açúcares redutores totais (ART) e de monossacarídeos, tais como a glicose, a xilose e a arabinose, além de potenciais inibidores de fermentação, o furfural, o hidroximetilfurfural (HMF) e o ácido acético. As condições de pré-tratamento do bagaço, nas quais foram obtidas as maiores concentrações de ART (13,88 g/L) foi utilizando 6,0 % (m/v) de HCl, em 360,00 min., a 90°C. Entretanto, sob estas condições, também foram detectadas as concentrações mais elevadas dos inibidores. A condição ótima para a hidrólise com o HCl, obtida através da análise estatística, na qual a concentração de inibidores foi minimizada e a de ART maximizada foi de 96,80ºC, 441,6 min e 7,36 % (m/v) de ácido. Para o pré-tratamento com o H3PO4, as condições ótimas foram as mesmas encontradas para o HCl, obtendo-se 4,98 g/L de ART. Os bagaços pré-tratados foram submetidos à hidrólise enzimática com a enzima Celluclast® e um extrato enzimático bruto com atividade de xilanases. A maior concentração de ART (20,98 g/L) obtida pelas duas hidrólises (ácido/enzimática) foi no bagaço pré-tratado com HCl no tempo de 360,00 min., 6,0 % (m/v) de ácido a 90°C, o qual também apresentou a maior concentração de inibidores (total de 1,23 g/L). O hidrolisado obtido com HCl que apresentou maior concentração de ART foi utilizado em ensaios de fermentação para a produção de H2 por cultura mista. / Sugarcane bagasse is a lignocellulosic residue that can be used as substrate to produce hydrogen (H2) by fermentation after hydrolysis. This study aimed to optimize the pretreatment of sugarcane bagasse with hydrochloric acid (HCl) and phosphoric acid (H3PO4), to solubilize carbohydrates and produce the minimal amount of inhibitors as well as make its structure more susceptible to enzymatic hydrolysis. In addition, we verified the possibility of using hydrolysates in the biological production of H2 by a mixed culture of microorganisms. We optimized the conditions for bagasse pretreatment with acids using an experimental designwe varied the concentration between 0.64 and 7.36% (w/v), the temperature from 63.20 to 96.80 °C, and the time from 38.40 to 441.60 min. In the hydrolysates, we determined the concentrations of total reducing sugars (TRS); monosaccharides such as glucose, xylose, and arabinose; and potential inhibitors of fermentation like furfural, hydroxymethylfurfural (HMF), and acetic acid. The conditions of bagasse pretreatment 6.0% (w/v) HCl, 360 min. and 90 °C led to the highest TRS concentrations (13.88 g L-1), but also to the highest concentrations of inhibitors. Statistical analysis revealed that the optimum conditions for the hydrolysis of sugar cane bagasse with HCl that minimized the concentration of inhibitors while maximizing the TRS concentration were: 96.80 °C, 441.6 min, and 7.36% (w/v) of acid. The optimum conditions for pre-treatment with H3PO4 were the same as those found for HCl; which yielded 4.98 g L-1 TRS. We subjected the pretreated bagasse to enzymatic hydrolysis with Celluclast® enzyme and to a crude enzyme extract with xylanase activity. For both hydrolyses (acid and enzymatic), the highest TRS concentration (20.98 g L-1) was achieved with the bagasse pretreated with HCl 6.0% (w/v) at 90 °C for 360.00 min., which also furnished the highest concentration of inhibitors (total 1.23 g L-1). The hydrolysate obtained with HCl contained higher TRS concentration was used as substrate in fermentation assays for the production of H2 by mixed culture.

Submitted by Eduarda Figueiredo (eduarda.ffigueiredo@ufpe.br) on 2015-03-11T14:52:17Z No. of bitstreams: 2 SOLANGE MARIA DE VASCONCELOS, S.M.-TESE DOUTORADO_2012_VERSÃO FINAL CORRIGIDA .pdf: 4188689 bytes, checksum: 599aa196f37a5192a6f20424e9d6c615 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-11T14:52:17Z (GMT). No. of bitstreams: 2 SOLANGE MARIA DE VASCONCELOS, S.M.-TESE DOUTORADO_2012_VERSÃO FINAL CORRIGIDA .pdf: 4188689 bytes, checksum: 599aa196f37a5192a6f20424e9d6c615 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2012-12-21 / Devido à natureza recalcitrante da biomassa, uma etapa normalmente essencial em uma biorrefinaria lignocelulósica, por rota bioquímica, é o pré-tratamento da matéria-prima. O presente trabalho teve como principal objetivo o estudo do pré-tratamento de bagaço de cana-de-açúcar com ácido fosfórico diluído de forma a encontrar as melhores condições em termos de solubilização de hemicelulose o que, por sua vez, facilita o acesso das enzimas à celulose, na etapa de hidrólise enzimática. Melhores condições de tratamento ácido foram comparadas com tratamento hidrotérmico. Realizou-se, também, a produção de enzimas celulolíticas através da utilização do micro-organismo Trichoderma reesei RUT C30 e hidrólise enzimática dos bagaços pré-tratados em diferentes condições, com as enzimas produzidas no laboratório e com enzimas comerciais (Celluclast® 1,5 L e Novozym® 188). Por fim, foi verificada a fermentabilidade do hidrolisado enzimático que apresentou o melhor resultado em termos de conversão de celulose em glicose. Na primeira etapa, o pré-tratamento foi realizado de acordo com um planejamento experimental 23, cujas variáveis estudadas foram: tempo (8–24 minutos), temperatura (144–186 ºC) e concentração de ácido fosfórico (0,05–0,20%, m/v). Pré-tratamentos adicionais foram realizados, a 186 ºC e 195 ºC, na ausência e na presença de ácido fosfórico (1%, m/v), por 8 minutos. Todos os pré-tratamentos foram realizados em uma reator batelada de 20 L (Regmed AU/E-20), com volume de trabalho de 10 L e carga de sólidos de 5% (m/v). A eficiência dos pré-tratamentos foi verificada através da comparação de análises físicoquímicas dos bagaços in natura e pré-tratados e da conversão de celulose em glicose por hidrólise enzimática. As hidrólises foram realizadas a 50 ºC e pH 4,8. A produção de enzimas se deu em meio de lactose (10 g/L) solubilizado em hidrolisado hemicelulósico, sendo conduzida em biorreator de bancada com volume útil de 2 L, agitação de 500 rpm, aeração de 2 vvm, temperatura de 28 ºC, pH 5,0, durante 48 horas. A fermentação alcoólica do hidrolisado enzimático foi realizada em biorreator de bancada, com volume útil de 1 L, a 35 ºC, pH 4,8, 300 rpm, utilizando-se a levedura industrial Saccharomyces cerevisiae UFPEDA 1238. Em relação ao planejamento experimental, os pré-tratamentos com H3PO4 0,20% a 186 ºC, durante 8 e 24 minutos, mostraram-se eficientes na remoção de hemicelulose, alcançando solubilizações de 96% e 98%, respectivamente. Modelos, preditivos e significativos, foram obtidos para as concentrações de celulose, hemicelulose e lignina, na fração sólida de bagaço, assim como para a hemicelulose solubilizada. Nos prétratamentos adicionais, as maiores solubilizações de hemicelulose foram de 97% e 98%, para os bagaços pré-tratados a 186 ºC e 195 ºC, com H3PO4 1% (m/v), respectivamente. A enzima produzida no laboratório apresentou-se eficiente na hidrólise dos bagaços prétratados, quando comparada às enzimas comerciais. Para ambos os tipos de enzimas, as maiores conversões de celulose em glicose foram obtidas a partir dos bagaços pré-tratados nas condições mais drásticas.

O bagaço de cana de açúcar é um resíduo lignocelulósico que, após a sua hidrólise, pode ser utilizado como substrato para a produção de hidrogênio (H2) por fermentação. O objetivo deste trabalho foi realizar pré-tratamentos do bagaço de cana com os ácidos clorídrico (HCl) e fosfórico (H3PO4) para a solubilização de carboidratos, produzindo o mínimo de inibidores, bem como para tornar a sua estrutura mais suscetível à hidrólise enzimática. Além disso, foi verificada a possibilidade de utilização dos hidrolisados na produção biológica de H2 por uma cultura mista de micro-organismos. A otimização das condições de pré-tratamento com os ácidos foi feita por meio de um planejamento experimental, variando-se a concentração entre 0,64 e 7,36 % (m/v), a temperatura de 63,20 a96,80°C e o tempo de 38,40 a 441,60 min. Nos hidrolisados obtidos foram determinadas as concentrações de açúcares redutores totais (ART) e de monossacarídeos, tais como a glicose, a xilose e a arabinose, além de potenciais inibidores de fermentação, o furfural, o hidroximetilfurfural (HMF) e o ácido acético. As condições de pré-tratamento do bagaço, nas quais foram obtidas as maiores concentrações de ART (13,88 g/L) foi utilizando 6,0 % (m/v) de HCl, em 360,00 min., a 90°C. Entretanto, sob estas condições, também foram detectadas as concentrações mais elevadas dos inibidores. A condição ótima para a hidrólise com o HCl, obtida através da análise estatística, na qual a concentração de inibidores foi minimizada e a de ART maximizada foi de 96,80ºC, 441,6 min e 7,36 % (m/v) de ácido. Para o pré-tratamento com o H3PO4, as condições ótimas foram as mesmas encontradas para o HCl, obtendo-se 4,98 g/L de ART. Os bagaços pré-tratados foram submetidos à hidrólise enzimática com a enzima Celluclast® e um extrato enzimático bruto com atividade de xilanases. A maior concentração de ART (20,98 g/L) obtida pelas duas hidrólises (ácido/enzimática) foi no bagaço pré-tratado com HCl no tempo de 360,00 min., 6,0 % (m/v) de ácido a 90°C, o qual também apresentou a maior concentração de inibidores (total de 1,23 g/L). O hidrolisado obtido com HCl que apresentou maior concentração de ART foi utilizado em ensaios de fermentação para a produção de H2 por cultura mista. / Sugarcane bagasse is a lignocellulosic residue that can be used as substrate to produce hydrogen (H2) by fermentation after hydrolysis. This study aimed to optimize the pretreatment of sugarcane bagasse with hydrochloric acid (HCl) and phosphoric acid (H3PO4), to solubilize carbohydrates and produce the minimal amount of inhibitors as well as make its structure more susceptible to enzymatic hydrolysis. In addition, we verified the possibility of using hydrolysates in the biological production of H2 by a mixed culture of microorganisms. We optimized the conditions for bagasse pretreatment with acids using an experimental designwe varied the concentration between 0.64 and 7.36% (w/v), the temperature from 63.20 to 96.80 °C, and the time from 38.40 to 441.60 min. In the hydrolysates, we determined the concentrations of total reducing sugars (TRS); monosaccharides such as glucose, xylose, and arabinose; and potential inhibitors of fermentation like furfural, hydroxymethylfurfural (HMF), and acetic acid. The conditions of bagasse pretreatment 6.0% (w/v) HCl, 360 min. and 90 °C led to the highest TRS concentrations (13.88 g L-1), but also to the highest concentrations of inhibitors. Statistical analysis revealed that the optimum conditions for the hydrolysis of sugar cane bagasse with HCl that minimized the concentration of inhibitors while maximizing the TRS concentration were: 96.80 °C, 441.6 min, and 7.36% (w/v) of acid. The optimum conditions for pre-treatment with H3PO4 were the same as those found for HCl; which yielded 4.98 g L-1 TRS. We subjected the pretreated bagasse to enzymatic hydrolysis with Celluclast® enzyme and to a crude enzyme extract with xylanase activity. For both hydrolyses (acid and enzymatic), the highest TRS concentration (20.98 g L-1) was achieved with the bagasse pretreated with HCl 6.0% (w/v) at 90 °C for 360.00 min., which also furnished the highest concentration of inhibitors (total 1.23 g L-1). The hydrolysate obtained with HCl contained higher TRS concentration was used as substrate in fermentation assays for the production of H2 by mixed culture.

O objetivo desse trabalho foi avaliar a produção de \'H IND.2\' a partir da degradação de papel sulfite com a utilização de consórcio microbiano obtido do fluido ruminal, na presença e ausência da celulase. Para obtenção de consórcio de bactérias essencialmente produtoras de \' H IND.2\', fluido de rúmen in natura, utilizado como inóculo, foi submetido a tratamento ácido (pH 3 por 24 h), e posteriormente enriquecido em meio de cultura Del Nery modificado em diluições seriais. Nos ensaios de produção de \'H IND.2\' foi utilizado 10% (v/v) desse inóculo em reatores com diferentes concentrações de papel e celulase, e em reatores controle, nos quais não houve adição de celulase. Reator anaeróbio em batelada, em triplicata, com papel sulfite e meio Del Nery modificado, foi mantido a 37 ºC, pH inicial 7,0, com headspace preenchido com \'N IND.2\' (100%) para os seguintes ensaios: (1) 0,5 g papel/L e 4 mL celulase/L; (2) 2,0 g papel/L e 15 mL celulase/ L; (3) 4,0 g papel/L e 30 mL celulase/L; (CT 1) 0,5 g papel/L; (CT 2) 2,0 g papel/L; (CT 3) 4,0 g papel/L. Os rendimentos de \'H IND.2\' foram 42, 26,6 e 24 mmol\' H IND.2\'/g papel para os ensaios 1, 2 e 3, respectivamente. Não houve produção de \'H IND.2\' nos reatores controle. O consumo de substrato, avaliado como glicose, foi de 56%, 56,6% e 65,4% para os ensaios 1, 2 e 3, respectivamente. Nos reatores controle não foi detectado consumo de papel. Em todos os reatores com celulase foi detectado principalmente ácido butírico, além de ácido acético e álcoois. Nos reatores controle foram detectados principalmente ácido acético e ácido iso-butírico. Para os ensaios 1, 2, 3, CT 1, CT 2 e CT 3, os valores de pH final foram 4,6; 3,7; 3,5; 6,8; 6,6 e 6,5, respectivamente. Bacilos Gram positivos e formadores de endósporos foram predominantes em todos os reatores. A partir da análise de PCR/DGGE foi possível observar alteração de 78% entre a comunidade original do fluido de rúmen e a comunidade microbiana presente ao final dos ensaios. Por meio da clonagem e sequenciamento do gene RNAr 16S, verificou-se similaridade de 95% a 99% com Clostridium no consórcio bacteriano do reator com papel e celulase. A produção biológica de \'H IND.2\' nos reatores com celulase foi provavelmente devido as bactérias que estiveram presentes nas condições estudadas, identificadas, principalmente, como Clostridium sp., reconhecidas como produtoras de \'H IND.2\', ácidos voláteis e álcoois. A adição de celulase foi essencial para a hidrólise do papel em carboidratos solúveis, permitindo a produção de H2 pelas bactérias presentes no consórcio microbiano. / The aim of this study was to evaluate the production of \'H IND.2\' from office paper degradation by using a microbial consortium obtained from rumen fluid, in the presence and absence of cellulase. In order to obtain a microbial consortium consisting mainly of hydrogen producing bacteria, rumen fluid, used as inoculum, was subjected to acid pretreatment (pH 3 for 24 h), and subsequently enriched in the modified Del Nery medium in serial dilutions. In hydrogen production assays there was used 10% (v/v) of the pretreated inoculum in reactors with different concentrations of paper and cellulase, and in control reactors, without cellulase. Anaerobic batch reactor (5 L), in triplicate, with office paper and modificated Del Nery medium, was kept in 37 ºC and initial pH 7,0, with headspace filled with \'N IND.2\' (100%), for the following assays: (1) 0,5 g paper/L e 4mL cellulase/L; (2) 2,0 g paper/L e 15 mL cellulase/ L; (3) 4,0 g paper/L e 30 mL cellulase/L; (CT 1) 0,5 g paper/L; (CT 2) 2,0 g paper/L; (CT 3 ) 4,0 g paper/L. Hydrogen yields were 42, 26,6 and 24 mmol \'H IND.2\'/g paper for the assays 1, 2 and 3, respectively. Hydrogen production was not detected in the control reactors. Substrate consumption percentage, measured as glucose, was 56%, 56,6% and 65,4%, respectively for the assays 1, 2 and 3. Paper consumption was not detected in the control reactors. Butyric acid, low concentration of acetic acid, and alcohols were detected in the reactors with cellulase. In the control reactor it was observed mainly acetic and iso-butyric acids. Final pH values were 4,6; 3,7; 3,5; 6,8; 6,6 and 6,5 for the assays 1, 2, 3, CT 1, CT 2 and CT 3, respectively. It was observed a predominance of Gram positive endospore-forming rods. From PCR/DGGE analysis it was possible to observe an alteration of 78% between the original microbial community of the ruminal fluid and the microbial community present at the end of the assays. From cloning and sequencing analysis of RNAr 16S gene, there was verified similarity of 95-99% with Clostridium in the microbial consortium. The biological hydrogen production in the assays with cellulase was probably due to bacteria present in the conditions studied, mainly identified as Clostridium sp., known as producers of hydrogen, organic acids and alcohols. The addition of cellulase was essential to promote paper breakdown into soluble carbohydrates, which allowed hydrogen production by bacteria present in the consortium.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-03-15T17:17:40Z No. of bitstreams: 1 REBECA DE ALMEIDA SILVA - DISSERTAÇÃO PPGEQ 2014..pdf: 2095528 bytes, checksum: 2f418390669f1b14f0649337a5231873 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-15T17:17:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 REBECA DE ALMEIDA SILVA - DISSERTAÇÃO PPGEQ 2014..pdf: 2095528 bytes, checksum: 2f418390669f1b14f0649337a5231873 (MD5) Previous issue date: 2014-09-11 / Com a atual busca mundial por fontes renováveis, o uso de resíduos de biomassa lignocelulósica apresenta uma perspectiva bastante promissora para a produção de etanol. O processo deriva da fermentação de açúcares de origem hemicelulósica e celulósica, frações de materiais lignocelulósicos, através de um pré-tratamento adequado e da hidrólise enzimática da celulose. O resíduo da acerola constitui de 40 % do volume processado, sendo 24,7 % de celulose, 19,27 % de hemicelulose e 28,37 % de lignina. O objetivo deste trabalho foi estudar a cinética da hidrólise enzimática do bagaço de acerola in natura e do bagaço pré-tratado e avaliar o efeito desse prétratamento sobre a hidrólise. Inicialmente foi feita a caracterização lignocelulósica do bagaço in natura e do bagaço pré-tratado e a caracterização microestrutural por meio das análises de DRX e MEV. Ao bagaço de acerola foi aplicado o pré-tratamento ácido seguido de básico. Em seguida foi realizada a hidrólise enzimática do bagaço in natura e pré-tratado. Foram usadas as enzimas comerciais Celluclast 1.5L da Novozyme e betaglicosidase da Proenzyme. Como ferramenta para avaliação das variáveis que influenciam no processo usou-se um planejamento fatorial 22 com 3 pontos centrais, onde as variáveis analisadas foram carga enzimática e relação de massa seca de bagaço por volume do meio reacional. A caracterização lignocelulósica mostrou que o bagaço de acerola é um substrato viável para obtenção de açúcares fermentescíveis e sua subseqüente conversão em etanol. O pré-tratamento ácido seguido de básico mostrou-se bastante eficiente em concentrar a celulose, pela remoção de parte da hemicelulose e lignina, provocando um aumento da celulose de 25 % para 50 %. Evidenciou-se a cristalinidade do bagaço de acerola, comprovada por Difração de Raios X e a modificação na morfologia do bagaço, verificada por Microscopia Eletrônica de Varredura. Por meio da cinética de hidrólise enzimática do bagaço de acerola in natura e pré-tratado foram obtidos rendimentos de 100 % na conversão da celulose em glicose. A melhor produção de glicose foi de 22,3 g/L alcançada em 36 horas de hidrólise para o bagaço de acerola pré-tratado, onde ocorreu nas maiores condições de carga enzimática e relação massa seca de bagaço por volume reacional. / With the current worldwide search for renewable sources, the use of lignocellulosic biomass waste has a very promising perspective for ethanol production. The process derives from the fermentation of sugar from hemicellulose and cellulose origin, fractions of lignocellulosic materials, by a suitable pre-treatment and enzymatic hydrolysis of cellulose. The waste of acerola is constituted by 40 % of the processed volume, and 24,7 % of cellulose, 19,27 % of hemicellulose and 28,37 % of lignin. The aim of this work was to study the kinetics of enzymatic hydrolysis of acerola’s waste in natura and waste pretreated, and also to evaluate the effect of this pretreatment on the hydrolysis. Initially, a lignocellulosic characterization was made with the waste in natura and waste pretreated, and microstructural characterization by means of XRD and SEM analysis. To the waste of acerola, an acid pretreatment was applied, followed by alkaline pretreatment. Then, the enzymatic hydrolysis of waste in natura and pretreated was performed. Commercial enzymes Celluclast 1.5L (Novozyme) and beta-glucosidase (Proenzyme) were used. As a tool to evaluate the variables that influence the process, a factorial design 22 was used with three central points, and the analyzed variables were enzymatic load and ratio of dry weight of waste per volume of reaction. This lignocellulosic characterization showed that the waste of acerola is a viable substrate for obtaining fermentable sugars and its subsequent conversion to ethanol. The acid pretreatment followed by the alkaline showed to be very effective in concentrating the cellulose, by the removal of part of the hemicellulose and lignin, causing an increase of the cellulose from 25 % to 50 %. The crystallinity of waste of acerola was evidenced by X-ray Diffraction and the modification in the morphology of waste, verified by Scanning Electron Microscopy. Through the kinetics of enzymatic hydrolysis of waste of acerola in natura and pretreated, yields of 100 % were obtained, in the conversion of cellulose to glucose. The best glucose production was 22,3 g/L, reached in 36 hours of hydrolysis of waste of acerola pretreated, which occurred in the best conditions of enzyme load and dry weight of waste per reaction volume ratio.

Submitted by Felipe Lange Shimizu null (felipe_lash@hotmail.com) on 2018-04-04T17:40:35Z No. of bitstreams: 1 Versão Final.pdf: 2417638 bytes, checksum: cbd92ea0f55b939141e8dbb758da327f (MD5) / Rejected by Adriana Aparecida Puerta null (dripuerta@rc.unesp.br), reason: Prezado Felipe Lange Shimizu, Solicitamos que realize uma nova submissão seguindo as orientações abaixo: - Capa - Faltou a capa no documento enviado. Este item é elemento obrigatório de acordo com as normas de trabalhos do seu Programa de Pós Graduação. Agradecemos a compreensão e aguardamos o envio do novo arquivo. Atenciosamente, Biblioteca Campus Rio Claro Repositório Institucional UNESP on 2018-04-05T13:45:30Z (GMT) / Submitted by Felipe Lange Shimizu null (felipe_lash@hotmail.com) on 2018-04-05T13:57:48Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Final Biblioteca.pdf: 2476461 bytes, checksum: 98bb493283b6d060e268893b026507a0 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Aparecida Puerta null (dripuerta@rc.unesp.br) on 2018-04-05T17:46:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 shimizu_fl_me_rcla.pdf: 2148045 bytes, checksum: 5ae73bad5319cc903eba26a7980c267c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-05T17:46:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 shimizu_fl_me_rcla.pdf: 2148045 bytes, checksum: 5ae73bad5319cc903eba26a7980c267c (MD5) Previous issue date: 2018-02-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A biomassa lignocelulósica, como a proveniente da cana-de-açúcar, é uma fonte abundante de resíduo que pode ser usado como matéria-prima na produção de energia. Para melhor aproveitar essa biomassa, moagem e pré-tratamentos podem ser usados para alterar a estrutura do material lignocelulósico, remover lignina e hemicelulose, expondo a celulose e assim aumentando sua acessibilidade. A acessibilidade à celulose tem sido indicada como uma das propriedades mais importantes para uma boa digestibilidade enzimática. Entretanto, as biomassas geradas da cana-de-açúcar possuem características físico-químicas diferentes, respondendo de modo diferente aos pré-tratamentos. Neste contexto, este estudo teve como objetivo verificar os efeitos da remoção de lignina e hemicelulose das biomassas da cana-de-açúcar (fração externa, entrenó, nó e folha) na acessibilidade à celulose. A cana-de-açúcar foi fracionada em fração externa, nó, entrenó e folha. Cada fração passou pelos pré-tratamentos ácido (5, 10, 20 %, m/m massa de ácido por massa de material, a 121°C/30 min), alcalino (5, 10, 20 e 30 % NaOH m/m) e oxidativo (0,5, 1, 2 e 3 horas com clorito de sódio 30 %). As amostras foram caracterizadas quanto ao seu conteúdo de celulose, hemicelulose e lignina. A determinação de acessibilidade foi realizada com corantes Direct, Orange (superfície específica externa), Direct Blue (superfície específica interna) e Vermelho Congo (superfície total). A hidrólise enzimática (15 FPU/g de material, Cellic Ctec 2 - Novozymes) foi realizada para avaliar o efeito dos pré-tratamentos e acessibilidade à celulose no rendimento em glicose. O efeito dos pré-tratamentos foi primeiramente analisado pela quantidade de massa recuperada. Todas as frações estudadas apresentaram uma tendência em perder massa com aumento da concentração de reagente utilizado no pré-tratamento. O pré-tratamento ácido resultou em menor recuperação de massa, o que ocorreu em função da solubilização de hemicelulose. A caracterização química apontou a remoção de hemicelulose e principalmente lignina dos materiais em função do pré-tratamento e das suas condições. A deslignificação com clorito de sódio (oxidativo) resultou em remoção de lignina, chegando a quase a sua totalidade em materiais como a folha. A determinação de acessibilidade com os corantes Vermelho Congo, Direct Blue e Direct Orange indicaram que o aumento da concentração de reagentes no pré-tratamento provoca aumento de acessibilidade à celulose. Entretanto, os corantes Direct Orange e Blue foram mais precisos na determinação da acessibilidade à celulose em comparação ao Vermelho Congo. A fração de menor recalcitrância, entrenó, apresentou adsorção de 525,9 mg/g no ensaio com Vermelho congo, o Direct Orange 1333,3 mg/g e o Direct Blue 746,3 mg/g. O rendimento em glicose na hidrólise enzimática seguiu a tendência de melhora com aumento da acessibilidade. Do mesmo modo, a remoção de lignina resultou em maior rendimento em glicose na hidrólise enzimática, o entrenó deslignificado resultou na quase completa conversão da celulose em glicose. Este estudo identificou a fração externa como mais recalcitrante, e entrenó como menos recalcitrante, resultando em menor rendimento e maior de glicose na hidrólise enzimática, respectivamente. A remoção de hemicelulose e lignina por meio de pré-tratamentos influenciou diretamente na acessibilidade à celulose, resultando em melhor ação das enzimas na hidrólise enzimática de todas as frações. / The lignocellulosic biomass, such as the provided by the sugarcane, is an abundant source of raw materials for energy production. In order to better use this biomass, milling and pretreatments can be employed to alter the structure of the materials, remove lignin and hemicellulose. This effect exposes the cellulose and raises its accessibility, which is is one of the most important property to ensure enzymatic digestibility. However, the biomass generated from the sugarcane have different physicochemical characteristics, giving different responses to the pretreatments. In this context, this study aimed to verify the effects of lignin and hemicellulose removal from the sugarcane biomass (external fraction, node, internode and leaf) on cellulose accessibility. The sugarcane was fractioned in external fraction, node, internode and leaf. Each fraction was pretreated with acid (5, 10, 20 % m/m acid mass per material mass, at 121°C/30 min), alkaline (5, 10, 20, 30 % NaOH m/m) oxidative (0,5, 1, 2 ,3 h charged with 30 % sodium chlorite). The chemical composition of the samples was determined based on cellulose, hemicellulose and lignin contents. Accessibility was determined by dye adsorption of Direct Orange (external specific surface), Direct Blue (internal specific surface) and Congo Red (total surface). Enzymatic hydrolysis (15 FPU/g of biomass, Cellic Ctec 2 – Novozymes) was used to verify the effects of pretreatments and cellulose accessibility on the glucose yield. All studied fractions showed tendency to lose mass with increasing reagent concentrations used in the pretreatments. Acid pretreatment resulted in low mass recovery due to hemicellulose solubilization. Chemical composition showed hemicellulose removal and significant lignin removal from the materials due to the pretreatments and their conditions. Delignification by sodium chlorite (oxidative) resulted in lignin removal, with almost completely removal with leaf samples. Accessibility determined by Congo Red, Direct Orange and Direct Blue dyes indicated that more aggressive pretreatments improved cellulose accessibility. However, Direct Orange and Direct Blue dyes were more precise than Congo Red while evaluating cellulose accessibility. The less recalcitrant fraction, the internode, showed 525,9 mg/g of Congo Red adsorption, 1333,3 mg/g of Direct Orange and 746,3 mg/g of Direct Blue. Glucose yield during enzymatic hydrolysis improved with higher cellulose accessibility. Lignin removal resulted in higher glucose yield, with delignified internode samples showing almost complete cellulose conversion. This study identified the external fraction as the most recalcitrant and the internode as the least recalcitrant, resulting in lower glucose yield and higher glucose yield, respectively. Hemicellulose and lignin removal by the pretreatments directly influenced cellulose accessibility, resulting in better enzymatic activity across all fractions.

Due to the oil crisis, the ethanol industry has developed rapidly in recent years to deal with the depletion of fossil fuels. Ethanol from renewable raw materials (bioethanol) has been of great interest in recent decades as an alternative fuel. There, this paper aims to study the acid pretreatment of Terminalia catappa Linn fruit for a second generation ethanol. The methodology of the studied variables of interest were the concentration of sulfuric acid (2.5% and 5%), the concentration of biomass (waste 5g / 100 ml of acid solution) and heating time (15 min to 30 min) at temperatures ranging from 111º C to 120º C, organized in a 23 factorial design with three replications samples. In the ethanolic fermentation, the pretreatment sample solution and the mineral Saccharomyces cerevisiae yeast were utilized having ethanol concentration and fermentation efficiency as main responses. The increased fermentation efficiency was given for the test that had the highest acid concentration (5.0%), time (30 minutes) and temperature (120 ° C) as well as the the highest amount of ethanol. The produced ethanol content was 14, 27 g / L and had a fermentation efficiency of 59%. The Ethanol production has compatible values with the ones found in the literature, so, the study group of this acid pre-treatment of the fruit of Terminalia catappa Linn, for a second generation ethanol production proved to be promising. / Devido à crise do petróleo, a indústria de etanol desenvolveu-se rapidamente nos últimos anos para lidar com o esgotamento dos combustíveis fósseis e o etanol a partir de matérias-primas renováveis (bioetanol) têm sido de grande interesse nas últimas décadas como um combustível alternativo. Portanto, este trabalho tem como objetivo estudar o pré-tratamento ácido do fruto da Terminalia catappa Linn para produção de etanol de segunda geração. Na metodologia utilizada as variáveis de interesse estudadas foram a concentração de ácido sulfúrico (2,5% e 5%), a concentração de biomassa (5g de resíduo/100 mL de solução ácida) e tempo de aquecimento (15 min a 30 min), em temperaturas variando de 111º C a 120º C, organizando-se num planejamento fatorial 23 com três repetições de amostras. Na fermentação etanólica, empregou-se a amostra pré-tratada, solução mineral e a levedura Saccharomyces cerevisiae, tendo como principais respostas a concentração de etanol e a eficiência da fermentação. A maior eficiência fermentativa se deu para o ensaio que possui maior concentração de ácido (5,0%), tempo (30min) e temperatura (120ºC), assim como se obteve, também, a maior quantidade de etanol. O teor de etanol produzido foi de 14,27 g/L e a eficiência fermentativa de 59%. A produção de etanol teve valores compatíveis com a literatura, sendo assim, este pré-tratamento ácido do fruto da Terminalia catappa Linn para produção de etanol de segunda geração, na faixa estudada, mostra ser promissor

O objetivo desse trabalho foi avaliar a produção de \'H IND.2\' a partir da degradação de papel sulfite com a utilização de consórcio microbiano obtido do fluido ruminal, na presença e ausência da celulase. Para obtenção de consórcio de bactérias essencialmente produtoras de \' H IND.2\', fluido de rúmen in natura, utilizado como inóculo, foi submetido a tratamento ácido (pH 3 por 24 h), e posteriormente enriquecido em meio de cultura Del Nery modificado em diluições seriais. Nos ensaios de produção de \'H IND.2\' foi utilizado 10% (v/v) desse inóculo em reatores com diferentes concentrações de papel e celulase, e em reatores controle, nos quais não houve adição de celulase. Reator anaeróbio em batelada, em triplicata, com papel sulfite e meio Del Nery modificado, foi mantido a 37 ºC, pH inicial 7,0, com headspace preenchido com \'N IND.2\' (100%) para os seguintes ensaios: (1) 0,5 g papel/L e 4 mL celulase/L; (2) 2,0 g papel/L e 15 mL celulase/ L; (3) 4,0 g papel/L e 30 mL celulase/L; (CT 1) 0,5 g papel/L; (CT 2) 2,0 g papel/L; (CT 3) 4,0 g papel/L. Os rendimentos de \'H IND.2\' foram 42, 26,6 e 24 mmol\' H IND.2\'/g papel para os ensaios 1, 2 e 3, respectivamente. Não houve produção de \'H IND.2\' nos reatores controle. O consumo de substrato, avaliado como glicose, foi de 56%, 56,6% e 65,4% para os ensaios 1, 2 e 3, respectivamente. Nos reatores controle não foi detectado consumo de papel. Em todos os reatores com celulase foi detectado principalmente ácido butírico, além de ácido acético e álcoois. Nos reatores controle foram detectados principalmente ácido acético e ácido iso-butírico. Para os ensaios 1, 2, 3, CT 1, CT 2 e CT 3, os valores de pH final foram 4,6; 3,7; 3,5; 6,8; 6,6 e 6,5, respectivamente. Bacilos Gram positivos e formadores de endósporos foram predominantes em todos os reatores. A partir da análise de PCR/DGGE foi possível observar alteração de 78% entre a comunidade original do fluido de rúmen e a comunidade microbiana presente ao final dos ensaios. Por meio da clonagem e sequenciamento do gene RNAr 16S, verificou-se similaridade de 95% a 99% com Clostridium no consórcio bacteriano do reator com papel e celulase. A produção biológica de \'H IND.2\' nos reatores com celulase foi provavelmente devido as bactérias que estiveram presentes nas condições estudadas, identificadas, principalmente, como Clostridium sp., reconhecidas como produtoras de \'H IND.2\', ácidos voláteis e álcoois. A adição de celulase foi essencial para a hidrólise do papel em carboidratos solúveis, permitindo a produção de H2 pelas bactérias presentes no consórcio microbiano. / The aim of this study was to evaluate the production of \'H IND.2\' from office paper degradation by using a microbial consortium obtained from rumen fluid, in the presence and absence of cellulase. In order to obtain a microbial consortium consisting mainly of hydrogen producing bacteria, rumen fluid, used as inoculum, was subjected to acid pretreatment (pH 3 for 24 h), and subsequently enriched in the modified Del Nery medium in serial dilutions. In hydrogen production assays there was used 10% (v/v) of the pretreated inoculum in reactors with different concentrations of paper and cellulase, and in control reactors, without cellulase. Anaerobic batch reactor (5 L), in triplicate, with office paper and modificated Del Nery medium, was kept in 37 ºC and initial pH 7,0, with headspace filled with \'N IND.2\' (100%), for the following assays: (1) 0,5 g paper/L e 4mL cellulase/L; (2) 2,0 g paper/L e 15 mL cellulase/ L; (3) 4,0 g paper/L e 30 mL cellulase/L; (CT 1) 0,5 g paper/L; (CT 2) 2,0 g paper/L; (CT 3 ) 4,0 g paper/L. Hydrogen yields were 42, 26,6 and 24 mmol \'H IND.2\'/g paper for the assays 1, 2 and 3, respectively. Hydrogen production was not detected in the control reactors. Substrate consumption percentage, measured as glucose, was 56%, 56,6% and 65,4%, respectively for the assays 1, 2 and 3. Paper consumption was not detected in the control reactors. Butyric acid, low concentration of acetic acid, and alcohols were detected in the reactors with cellulase. In the control reactor it was observed mainly acetic and iso-butyric acids. Final pH values were 4,6; 3,7; 3,5; 6,8; 6,6 and 6,5 for the assays 1, 2, 3, CT 1, CT 2 and CT 3, respectively. It was observed a predominance of Gram positive endospore-forming rods. From PCR/DGGE analysis it was possible to observe an alteration of 78% between the original microbial community of the ruminal fluid and the microbial community present at the end of the assays. From cloning and sequencing analysis of RNAr 16S gene, there was verified similarity of 95-99% with Clostridium in the microbial consortium. The biological hydrogen production in the assays with cellulase was probably due to bacteria present in the conditions studied, mainly identified as Clostridium sp., known as producers of hydrogen, organic acids and alcohols. The addition of cellulase was essential to promote paper breakdown into soluble carbohydrates, which allowed hydrogen production by bacteria present in the consortium.

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.

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.