Globally, increasing demands for biofuels have intensified the rate of land-use change (LUC) for expansion of bioenergy crops. In Brazil, the world\'s largest sugarcane-ethanol producer, sugarcane area has expanded by 35% (3.2 Mha) in the last decade. Sugarcane expansion has resulted in extensive pastures being subjected to intensive mechanization and large inputs of agrochemicals, which have direct implications on soil quality (SQ). We hypothesized that LUC to support sugarcane expansion leads to overall SQ degradation. To test this hypothesis we conducted a field-study at three sites in the central-southern region, to assess the SQ response to the primary LUC sequence (i.e., native vegetation to pasture to sugarcane) associated to sugarcane expansion in Brazil. At each land use site undisturbed and disturbed soil samples were collected from the 0-10, 10-20 and 20-30 cm depths. Soil chemical and physical attributes were measured through on-farm and laboratory analyses. A dataset of soil biological attributes was also included in this study. Initially, the LUC effects on each individual soil indicator were quantified. Afterward, the LUC effects on overall SQ were assessed using the Soil Management Assessment Framework (SMAF). Furthermore, six SQ indexes (SQI) were developed using approaches with increasing complexity. Our results showed that long-term conversion from native vegetation to extensive pasture led to soil acidification, significant depletion of soil organic carbon (SOC) and macronutrients [especially phosphorus (P)] and severe soil compaction, which creates an unbalanced ratio between water- and air-filled pore space within the soil and increases mechanical resistance to root growth. Conversion from pasture to sugarcane improved soil chemical quality by correcting for acidity and increasing macronutrient levels. Despite those improvements, most of the P added by fertilizer accumulated in less plant-available P forms, confirming the key role of organic P has in providing available P to plants in Brazilian soils. Long-term sugarcane production subsequently led to further SOC depletions. Sugarcane production had slight negative impacts on soil physical attributes compared to pasture land. Although tillage performed for sugarcane planting and replanting alleviates soil compaction, our data suggested that the effects are short-term with persistent, reoccurring soil consolidation that increases erosion risk over time. These soil physical changes, induced by LUC, were detected by quantitative soil physical properties as well as by visual evaluation of soil structure (VESS), an on-farm and user-friendly method for evaluating SQ. The SMAF efficiently detected overall SQ response to LUC and it could be reliably used under Brazilian soil conditions. Furthermore, since all of the SQI values developed in this study were able to rank SQ among land uses. We recommend that simpler and more cost-effective SQI strategies using a small number of carefully chosen soil indicators, such as: pH, P, K, VESS and SOC, and proportional weighting within of each soil sectors (chemical, physical and biological) be used as a protocol for SQ assessments in Brazilian sugarcane areas. The SMAF and SQI scores suggested that long-term conversion from native vegetation to extensive pasture depleted overall SQ, driven by decreases in chemical, physical and biological indicators. In contrast, conversion from pasture to sugarcane had no negative impacts on overall SQ, mainly because chemical improvements offset negative impacts on biological and physical indicators. Therefore, our findings can be used as scientific base by farmers, extension agents and public policy makers to adopt and develop management strategies that sustain and/or improving SQ and the sustainability of sugarcane production in Brazil. / Globalmente, o aumento da demanda de biocombustíveis têm intensificado a taxa de mudança de uso da terra (MUT) para expansão da produção de culturas para fins energéticos. No Brasil, a área de cana-de-açúcar aumentou 35% (3,2 Mha) na última década. A expansão do cultivo de cana-de-açúcar tem resultado em pastagens extensivas sendo submetidas a intensiva mecanização e ao uso de agroquímicos, implicando diretamente na qualidade do solo (QS). A hipótese testada nesse estudo foi que a MUT resulta na degradação da QS. Para tanto foi conduzido um estudo em três locais na região centro-sul, com objetivo de avaliar as modificações na QS devido a principal sequência de MUT (vegetação nativa - pastagem - cana-de-açúcar) associada a expansão do cultivo de cana-de-açúcar no Brasil. Em cada uso da terra, amostras indeformadas e deformadas de solo foram coletadas nas profundidades de 0- 10, 10-20 e 20-30 cm. Os atributos químicos e físicos do solo foram mensurados através de análises laboratoriais e à campo. Dados de atributos biológicos também foram incluídos no estudo. Inicialmente, os efeitos da MUT foram quantificados individualmente para cada um dos atributos do solo, e em seguida as alterações na QS global foram avaliadas através da Soil Management Assessment Framework (SMAF) e de seis índices de QS (IQS), desenvolvidos usando métodos com complexidade crescente. Os resultados demonstraram que a conversão da vegetação nativa em pastagem extensiva resultou na acidificação do solo, redução dos teores de carbono orgânico (COS) e macronutrientes (especialmente P), e severa compactação do solo, desequilibrando a relação entre ar e água e aumentando a resistência mecânica do solo ao crescimento radicular. Conversão da pastagem em cana-de-açúcar melhorou a qualidade química do solo através da correção da acidez e aumento dos macronutrientes. Apesar dessas melhorias, prolongado período de cultivo de cana-de-açúcar reduziu os teores de COS; e a maioria do P adicionado via fertilizantes acumulou em formas menos lábeis, confirmando o importante papel do P orgânico no fornecimento de P disponível às plantas em solos brasileiros. O cultivo de cana-de-açúcar teve impactos negativos nos atributos físicos do solo menos intensos do que aqueles gerados pelo uso com pastagem. Embora o preparo do solo para plantio e reforma da cana-de-açúcar reduziu a compactação do solo, os dados sugeriram que estes efeitos são de curta duração, ocorrendo a reconsolidação do solo e o aumento dos riscos de erosão ao longo do tempo. As alterações físicas do solo induzidas pela MUT foram detectadas tanto por meio de atributos quantitativos quanto por meio de avaliação visual da estrutura do solo (VESS), um método simples e diretamente aplicado no campo. A SMAF detectou eficientemente as alterações na QS devido a MUT. Além disso, todos os IQS desenvolvidos permitiram ranquear corretamente a QS entre os usos da terra. Assim, recomendamos que IQS mais simples e com melhor relação custo-benefício usando poucos indicadores chaves, tais como: pH, P, K, VESS e COS com ponderação proporcional entre os setores do solo (químico, físico e biológico) sejam usados como protocolo para avaliar a QS nas áreas de produção de cana-de-açúcar. Os resultados obtidos usando a SMAF e os IQS sugeriram que a conversão da vegetação nativa em pastagem extensiva reduziu a QS, degradando indicadores químicos, físicos e biológicos. Por outro lado, a conversão de pastagem em cana-de-açúcar não teve impactos na QS global, uma vez que a melhoria dos atributos químicos compensou os impactos negativos nos indicatores físicos e biológicos. Desta forma, esses resultados poderão ser utilizados como base científica pelos produtores, extencionistas e políticos para orientar estratégias de manejo que mantenham e/ou melhorem a QS e consequentemente a sustentabilidade da produção de cana-de-açúcar no Brasil.

Globally, increasing demands for biofuels have intensified the rate of land-use change (LUC) for expansion of bioenergy crops. In Brazil, the world\'s largest sugarcane-ethanol producer, sugarcane area has expanded by 35% (3.2 Mha) in the last decade. Sugarcane expansion has resulted in extensive pastures being subjected to intensive mechanization and large inputs of agrochemicals, which have direct implications on soil quality (SQ). We hypothesized that LUC to support sugarcane expansion leads to overall SQ degradation. To test this hypothesis we conducted a field-study at three sites in the central-southern region, to assess the SQ response to the primary LUC sequence (i.e., native vegetation to pasture to sugarcane) associated to sugarcane expansion in Brazil. At each land use site undisturbed and disturbed soil samples were collected from the 0-10, 10-20 and 20-30 cm depths. Soil chemical and physical attributes were measured through on-farm and laboratory analyses. A dataset of soil biological attributes was also included in this study. Initially, the LUC effects on each individual soil indicator were quantified. Afterward, the LUC effects on overall SQ were assessed using the Soil Management Assessment Framework (SMAF). Furthermore, six SQ indexes (SQI) were developed using approaches with increasing complexity. Our results showed that long-term conversion from native vegetation to extensive pasture led to soil acidification, significant depletion of soil organic carbon (SOC) and macronutrients [especially phosphorus (P)] and severe soil compaction, which creates an unbalanced ratio between water- and air-filled pore space within the soil and increases mechanical resistance to root growth. Conversion from pasture to sugarcane improved soil chemical quality by correcting for acidity and increasing macronutrient levels. Despite those improvements, most of the P added by fertilizer accumulated in less plant-available P forms, confirming the key role of organic P has in providing available P to plants in Brazilian soils. Long-term sugarcane production subsequently led to further SOC depletions. Sugarcane production had slight negative impacts on soil physical attributes compared to pasture land. Although tillage performed for sugarcane planting and replanting alleviates soil compaction, our data suggested that the effects are short-term with persistent, reoccurring soil consolidation that increases erosion risk over time. These soil physical changes, induced by LUC, were detected by quantitative soil physical properties as well as by visual evaluation of soil structure (VESS), an on-farm and user-friendly method for evaluating SQ. The SMAF efficiently detected overall SQ response to LUC and it could be reliably used under Brazilian soil conditions. Furthermore, since all of the SQI values developed in this study were able to rank SQ among land uses. We recommend that simpler and more cost-effective SQI strategies using a small number of carefully chosen soil indicators, such as: pH, P, K, VESS and SOC, and proportional weighting within of each soil sectors (chemical, physical and biological) be used as a protocol for SQ assessments in Brazilian sugarcane areas. The SMAF and SQI scores suggested that long-term conversion from native vegetation to extensive pasture depleted overall SQ, driven by decreases in chemical, physical and biological indicators. In contrast, conversion from pasture to sugarcane had no negative impacts on overall SQ, mainly because chemical improvements offset negative impacts on biological and physical indicators. Therefore, our findings can be used as scientific base by farmers, extension agents and public policy makers to adopt and develop management strategies that sustain and/or improving SQ and the sustainability of sugarcane production in Brazil. / Globalmente, o aumento da demanda de biocombustíveis têm intensificado a taxa de mudança de uso da terra (MUT) para expansão da produção de culturas para fins energéticos. No Brasil, a área de cana-de-açúcar aumentou 35% (3,2 Mha) na última década. A expansão do cultivo de cana-de-açúcar tem resultado em pastagens extensivas sendo submetidas a intensiva mecanização e ao uso de agroquímicos, implicando diretamente na qualidade do solo (QS). A hipótese testada nesse estudo foi que a MUT resulta na degradação da QS. Para tanto foi conduzido um estudo em três locais na região centro-sul, com objetivo de avaliar as modificações na QS devido a principal sequência de MUT (vegetação nativa - pastagem - cana-de-açúcar) associada a expansão do cultivo de cana-de-açúcar no Brasil. Em cada uso da terra, amostras indeformadas e deformadas de solo foram coletadas nas profundidades de 0- 10, 10-20 e 20-30 cm. Os atributos químicos e físicos do solo foram mensurados através de análises laboratoriais e à campo. Dados de atributos biológicos também foram incluídos no estudo. Inicialmente, os efeitos da MUT foram quantificados individualmente para cada um dos atributos do solo, e em seguida as alterações na QS global foram avaliadas através da Soil Management Assessment Framework (SMAF) e de seis índices de QS (IQS), desenvolvidos usando métodos com complexidade crescente. Os resultados demonstraram que a conversão da vegetação nativa em pastagem extensiva resultou na acidificação do solo, redução dos teores de carbono orgânico (COS) e macronutrientes (especialmente P), e severa compactação do solo, desequilibrando a relação entre ar e água e aumentando a resistência mecânica do solo ao crescimento radicular. Conversão da pastagem em cana-de-açúcar melhorou a qualidade química do solo através da correção da acidez e aumento dos macronutrientes. Apesar dessas melhorias, prolongado período de cultivo de cana-de-açúcar reduziu os teores de COS; e a maioria do P adicionado via fertilizantes acumulou em formas menos lábeis, confirmando o importante papel do P orgânico no fornecimento de P disponível às plantas em solos brasileiros. O cultivo de cana-de-açúcar teve impactos negativos nos atributos físicos do solo menos intensos do que aqueles gerados pelo uso com pastagem. Embora o preparo do solo para plantio e reforma da cana-de-açúcar reduziu a compactação do solo, os dados sugeriram que estes efeitos são de curta duração, ocorrendo a reconsolidação do solo e o aumento dos riscos de erosão ao longo do tempo. As alterações físicas do solo induzidas pela MUT foram detectadas tanto por meio de atributos quantitativos quanto por meio de avaliação visual da estrutura do solo (VESS), um método simples e diretamente aplicado no campo. A SMAF detectou eficientemente as alterações na QS devido a MUT. Além disso, todos os IQS desenvolvidos permitiram ranquear corretamente a QS entre os usos da terra. Assim, recomendamos que IQS mais simples e com melhor relação custo-benefício usando poucos indicadores chaves, tais como: pH, P, K, VESS e COS com ponderação proporcional entre os setores do solo (químico, físico e biológico) sejam usados como protocolo para avaliar a QS nas áreas de produção de cana-de-açúcar. Os resultados obtidos usando a SMAF e os IQS sugeriram que a conversão da vegetação nativa em pastagem extensiva reduziu a QS, degradando indicadores químicos, físicos e biológicos. Por outro lado, a conversão de pastagem em cana-de-açúcar não teve impactos na QS global, uma vez que a melhoria dos atributos químicos compensou os impactos negativos nos indicatores físicos e biológicos. Desta forma, esses resultados poderão ser utilizados como base científica pelos produtores, extencionistas e políticos para orientar estratégias de manejo que mantenham e/ou melhorem a QS e consequentemente a sustentabilidade da produção de cana-de-açúcar no Brasil.

Submitted by Marcia Leitzke (marcia.leitzke@unioeste.br) on 2017-08-11T14:44:11Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Arlindo F Correia 2016.pdf: 9132761 bytes, checksum: 837c2e718f0c4bfbcf875bcb4b63bd88 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-11T14:44:11Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Arlindo F Correia 2016.pdf: 9132761 bytes, checksum: 837c2e718f0c4bfbcf875bcb4b63bd88 (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The sweet sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) has potential agro-energy and the possibility of multipurpose use in the agricultural sector, however, it has not been widely adopted by farmers nor for ethanol production plants. This study aimed to evaluate the productivity, nutritional composition and silage sorghum as a result of fertilization with vinasse. The research was conducted at the experimental station of PUCPR Câmpus Toledo-PR during the months of november 2014 to august 2015 using the BRS-511, CR-1339 and CR-1342 genotypes. The experimental design the field was a randomized block in a factorial design with 3 additional treatments (3x5+3) with 4 repetitions, totaling 72 plots. The biofertilizer factor consisted of vinasse in natura at doses of 0, 50, 100, 150 and 200 m³ ha-1 and additional treatments of conventional chemical fertilizer application compounds. Productivity variables were: stem length (CCo), stem diameter (DCO), fresh pasta stem (MFCo), fresh pasta broth (MFCa), broth volume (VCa), degrees brix of juice (ºBrix), dry mass of inflorescence (MSI), dry matter of the stem (MSCo), dry mass of leaves (MSF) and total dry matter (MST). To assess the nutritional status analyzed the concentration of macro and micro nutrients N, P, K, Ca, Mg, Mn, Fe and Zn. The silage was held to 170 DAS (days after sowing), with experimental design in blocks with triple factorial (genotype x fertilization x inoculation) with three repetitions totaling 54 plots. At 95 days after the closing of the silage were collected samples for pH analysis, drying and quantification of dry matter content (MS%), crude protein (PB% MS), ether extract (EE% MS), ash (%MS), neutral detergent fiber (FDN% MS), fiber in acid detergent (FDA% MS), lignin (LIG% MS), total digestible nutrients (NDT), dry matter digestibility (DMS), digestible energy (ED) and energy metabolizable (EM). The results indicate the genotypes as the main source of variation, with different results in broth productivity for BRS-511, CR-1339 and CR-1342. Similar results were observed for total soluble solids potential averaging 19.205 °Brix, 14.670 °Brix and 8.579 °Brix. The biomass yield the best results were obtained for CR-1342 (42,960.4 kg ha-1) followed by CR-1339 (31,788.8 kg ha-1) and BRS-511 (18,884.0 kg ha-1) for MST. Leaf analysis showed no significant difference in the application of vinasse compared to chemical fertilizer, only to an increase in Mg content when using the biofertilizer, prevailing differences in results between genotypes. The bromatological results indicate good quality of CR-1339 and CR-1342 hybrids, however, a higher digestibility for the BRS-511 grow crops, not observable difference between the factor fertilization and inoculation / O sorgo sacarino (Sorghum bicolor (L.) Moench) apresenta potencial agroenergético e possibilidade de utilização multipropósito no segmento agropecuário, porém, ainda não tem sido adotado em larga escala pelo produtor rural tampouco por empreendimentos sucroalcooleiros. Este trabalho teve por objetivo avaliar a produtividade, a composição nutricional e o ensilamento de sorgo sacarino como resultado da adubação com vinhaça. A pesquisa foi conduzida na estação experimental da PUCPR, câmpus Toledo-PR, durante os meses de novembro de 2014 a agosto de 2015 utilizando os genótipos BRS-511, CR-1339 e CR-1342. O delineamento experimental a campo foi em blocos casualizados em esquema fatorial com 3 tratamentos adicionais (3x5+3) com 4 repetições, totalizando 72 parcelas. O fator biofertilizante foi constituído de vinhaça in natura nas doses de 0, 50, 100, 150 e 200 m³ ha-1 e os tratamentos adicionais compostos de aplicação de adubação química convencional. As variáveis de produtividade foram: comprimento do colmo (CCo), diâmetro do colmo (DCo), massa fresca do colmo (MFCo), massa fresca do caldo (MFCa), volume do caldo (VCa), graus brix do caldo (ºBRIX), massa seca da inflorescência (MSI), massa seca do colmo (MSCo), massa seca de folhas (MSF) e massa seca total (MST). Para avaliação do estado nutricional analisou-se a concentração dos macro e micronutrientes N, P, K, Ca, Mg, Mn, Fe e Zn. O ensilamento foi realizado aos 170 DAS, com delineamento experimental em blocos com esquema fatorial triplo (genótipos x adubação x inoculação) com 3 repetições totalizando 54 parcelas. Aos 95 dias após o fechamento dos silos foram coletadas amostras para análise de pH, secagem e quantificação dos teores de massa seca (MS%), proteína bruta (PB %MS), extrato etéreo (EE %MS), cinzas (%MS), fibras em detergente neutro (FDN %MS), fibras em detergente ácido (FDA %MS), lignina (LIG %MS), nutrientes digeríveis totais (NDT), digestibilidade da matéria seca (DMS), energia digestível (ED) e energia metabolizável (EM). Os resultados indicam os genótipos como principal fonte de variação, com diferentes resultados na produtividade de caldo para BRS-511, CR-1339 e CR-1342. Resultado semelhante foi observado quanto ao potencial de sólidos solúveis totais com médias de 19,205 ºBrix, 14,670 ºBrix e 8,579 ºBrix. Sob a produtividade de biomassa os melhores rendimentos foram observados para CR-1342 (42.960,4 kg ha-1) seguido de CR-1339 (31.788,8 kg ha-1) e BRS-511 (18.884,0 kg ha-1) para MST. A diagnose foliar não demonstrou diferença significativa da aplicação de vinhaça em comparação à adubação química, apenas para um incremento no teor de Mg quando utilizado o biofertilizante, prevalecendo as diferenças de resultados entre os genótipos. Os resultados bromatológicos indicam boa qualidade dos híbridos CR- 1339 e CR-1342, porém, uma maior digestibilidade para o cultivar BRS-511, não sendo observado diferença entre o fator adubação e inoculação.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4241.pdf: 4394811 bytes, checksum: d936ee1e166e7445e905ea5bc46e870b (MD5) Previous issue date: 2012-02-23 / Universidade Federal de Minas Gerais / Sugarcane bagasse is an interesting option for second generation ethanol production. However, its use for this purpose is constrained by the energetic self-suficiency of the industrial plant, apart from the necessary economic considerations, given other possible uses for sugarcane bagasse. It was proposed in this work the development of a tool to assist economic and process-related decisions regarding the production of ethanol from sugarcane juice and bagasse, through stationary simulation and optimization of the first and second generation ethanol production process. A new approach for distillation columns simulation using equation-based simulators was presented, using multilinear interpolation. This approach allowed the simulation of the process of ethanol production, which employs a set of distillation columns for ethanol purification, that would otherwise present convergence problems, especially during the optimization step in which several conditions are tested. Results show that the methodology was able to reproduce the nonlinear behavior of the set of distillation columns with enough precision for the work developed here. The tool was tested for second generation ethanol production using organosolv as pretreatment. The results show that the implemented stochastic optimizer was able to find the optimal condition for an objective function representing the cash ow of the plant, which was confirmed by the contour plots obtained for this function. The tool also allows the analysis of steam consumption distribution for each section of the industrial plant, which enables the determination of the impact of second generation ethanol production on the general process. / O bagaço de cana-de-açúcar tem se mostrado uma escolha interessante para a produção de etanol de segunda geração. Entretanto, sua utilização para este fim esbarra na restrição imposta pela autossuficiência energética da planta, além de serem necessárias considerações econômicas frente outras possíveis aplicações para o material. Este trabalho se propôs a desenvolver uma ferramenta para auxiliar nas decisões econômicas e de processo referentes à produção de etanol a partir do caldo e do bagaço de cana-de-açúcar, através da simulação e otimização estacionária de uma planta de produção de etanol de primeira e segunda geração. Uma nova abordagem para simulação de colunas de destilação estacionárias em simuladores baseados em equações foi proposta, empregando interpoladores multilineares. Tal abordagem permitiu a simulação do processo de produção de etanol, o qual emprega um trem de colunas de destilação na etapa de purificação do etanol que, de outra forma, teria apresentado problemas de convergência, especialmente durante a etapa de otimização, na qual diversas condições são testadas. Os resultados mostram que o interpolador conseguiu reproduzir o comportamento não linear do trem de colunas de destilação com precisão suficiente para o trabalho desenvolvido. A ferramenta desenvolvida foi testada para o caso da produção de etanol de segunda geração empregando o pré-tratamento organosolv. Os resultados mostram que o otimizador estocástico implementado foi capaz de encontrar a condição ótima para uma função objetivo representativa do fluxo de caixa da planta, o que é confirmado pelas curvas de nível obtidas para tal função. A ferramenta também permitiu a análise da distribuição do consumo de vapor na planta por setor, o que possibilita a determinação do impacto da segunda geração na demanda energética do processo.

O ácido lático produzido por bactérias láticas constitui um sério problema nas fermentações industriais. Por este motivo, os efeitos deste ácido adicionado sobre a produção de etanol por levedura em meio sintético foi estudado no presente trabalho. Assim, foi possível evitar a interferências de um processo contendo uma cultura mista de bactérias láticas e levedura. Além disto, o meio sintético foi utilizado a fim de evitar as variações na composição da matéria-prima, no caso o melaço de cana-de-açúcar, durante a estocagem por um longo período de tempo. Inicialmente, dois planejamentos fatoriais foram realizados em batelada simples. Após a validação deste sistema, uma produção máxima de etanol (72,1 g.L-1) e uma boa retenção de viabilidade celular (86,4%) foram conseguidas utilizando-se inóculo bastante alto (40 g.L-1, massa seca) numa fermentação contendo 200 g.L-1 de sacarose inicial. Nestas condições, experimentos em batelada simples em mini-reatores foram realizados operando a 34 °C e em presença de 0 a 1,0 g.L-1 de ácido lático. Neste experimento, o pH do meio tornou-se bastante baixo (2,3 a 2,7). Por este motivo, outra fermentação em batelada simples foi realizada com o reajuste do pH inicial para 4,5 logo após adição de todos os componentes ao reator. O reajuste do pH inicial causou um aumento significativo tanto na produtividade e na velocidade específica máxima de etanol quanto na viabilidade final na batelada simples. Depois disto, comparações da batelada simples com a batelada alimentada continuamente e por pulsos também foram realizadas em presença de ácido lático. Observou-se que o processo de batelada com alimentação contínua consumiu açúcar mais lentamente, apresentou maior perda em viabilidade e maior produção de biomassa que a batelada simples enquanto que o processo de batelada alimentada por pulsos foi bem semelhante. A elevação da concentração do ácido lático (2,0 g.L-1 a 4,0 g.L-1) nos reatores permitiu a tamponagem do meio sintético logo após o reajuste inicial de pH para 4,5. Nestas condições, também houve semelhança entre os processos de batelada simples e batelada alimentada por pulsos. Em batelada alimentada por pulsos, verificou-se que a diminuição da quantidade de inóculo levou a perdas de viabilidade celular por causa do aumento do ácido externo em relação à quantidade de células no reator. De uma maneira geral, a presença de ácido lático causou aumentos no consumo de açúcar em todos os processos. Fermentações sucessivas foram realizadas, adicionado 3 pulsos de sacarose e 2,0 g.L-1 de ácido lático (em relação ao volume final do meio), a levedura 63M passou por um processo de adaptação até o terceiro ciclo. Além disto, houve uma redução na proteína intracelular final e um aumento na acidez total em presença ácido lático. No entanto, a produção de glicerol e a produção de trealose aumentaram e foram semelhantes tanto em presença quanto em ausência de pulsos de ácido lático. / Lactic acid produced by lactic bacteria is a problem serious in fermentation alcohol plants. For this reason, the effects of this added acid on ethanol by yeast in synthetic medium were studied in the present work. Thus, it was possible to avoiding interferences of a process containing a miscellaneous culture of lactic bacteria and yeast. Besides, synthetic medium was used to avoiding variations in raw material, sugar-cane molasses in this case, during the storage by a large period of time. Initially, two factorial planning were used in simple batch under agitation. After validation of these plannings, maximal ethanol production (72.1 g.L-1) with well retention of viability (86,4%) were obtained using high inoculum size (40 g.L-1, dry weight) in fermentation containing 200 g.L-1 initial sucrose. In these conditions, fermentations in simples batch in mini-reactors were carried out at 34 °C and in presence of 0 to 1,0 g.L-1 added lactic acid. In this experiment, the medium pH became very small (2.3 to 2.7). For this reason, another fermentation in simple batch was realized with initial pH readjusted for 4,5 after addition of all of medium compounds in the reactor. The readjusted of initial pH caused a significative increase as in productivity and maximal-specific rate of ethanol as in final viability in simple batch process. After this, comparisons among simple batch and continuous-fed batch and pulses-fed batch were made in the presence of lactic acid. In these experiments, continuous-fed batch process showed sugar uptake more slowly, showed more drops in viability and more biomass production than simple batch process, while the pulses-fed batch was similar than simple batch process. In addition, the elevation of lactic acid concentration for 2,0 g.L-1 to 4,0 g.L-1 in the reactors permitted the pH maintenance of synthetic medium after initial pH readjusted for 4,5. In these conditions, the simple batch and pulses-fed batch processes also were similar. In pulses-fed batch culture, the decrease of inoculum size caused drops in viability because of the increase of endogenous acid in relation to cell quantity in the reactor. Generally, the presence of lactic acid causes increases in sugar uptake in all of process. Fermentations with cell reuse were carried out in fed batch process with pulses of sucrose and 2,0 g.L-1 lactic acid (in relation to final medium volume), yeast 63M undertook to adaptation process until the third fermentation cycle. In adittion, a decrease of final intracellular protein and an increase of total acidity in presence of lactic acid. However, glycerol and trehalose productions increased with the fermentative cycles and were similar as in presence as in absence of added lactic acid.

Currently there is great concern about the consumption of fossil fuels, as well as a possible depletion of traditional sources of production of raw materials mainly hydrocarbon derivatives. Parallel challenges to the preservation of the environment bring to discussions agenda every question involving biofuels and their means of obtaining. That said this issue still has major concerns about the use of raw materials that require less energy expenditure and prevent competition for land for food production, which end up entering the agenda of externalities related with this issue. In the case of the production of ethanol from starch sources, traditional processes still have high costs associated with the production of enzymes used and the great energy demand for starch gelatinisation at high temperatures. An alternative to the granular starch hydrolysis process is the use of enzymes capable of processing these starches at low temperatures which makes it unnecessary to gelatinization and reduces energy expenditure, also called simultaneous saccharification and fermentation (SSF), resulting in considerable economic advantage. Brazil is a traditional agricultural producer, and the rice production is quite significant and is as a by-product of rice bran that has low commercial value, being used for oil extraction, as an ingredient in animal feed and as fertilizer organic therefore be in perfect conditions to be used as raw starchy material to obtain ethanol. This work aims to investigate the use of this raw material and set the parameters for increased production scale-up with the use of commercial enzymes. The initial data to establish the working parameters were taken from the literature establishing this initial data for testing. In view of the large number of variables used to Plackett-Burman methodology to verify the effects of the main variables and select the ones that have most effect on the model.Thus for the job 1 in the shake flasks were selected following parameters: concentration of bran inoculum percentage, corn percentage of water macerated, soybean concentration, enzyme percentage yeast addition time and percentage of cellulase. This initial planning, among the most significant variables and, consequently, were selected for the planning application Outlining Central Composite Rotational (CCRD), are rice bran concentration, the percentage of inoculum and the percentage of cellulase. To work 2 were investigated variables agitation and temperature in ethanol production in bioreactor 3 liters. For analysis of the experiment of reducing sugar was used DNS method (Miller, 1959), and analysis of the ethanol present in the sample specimens were removed and subjected to Alcolyzer. For the tests performed in the first work the greatest amount of ethanol was obtained at 12 assay which was reached 172.70 grams of ethanol per kilogram of rice bran with 84% efficiency in the experiment. For experiments performed in the second study, with 3 liter reactor the best result is shown in Test 1 reaching 182.52 grams of ethanol per kilogram of rice bran with 89% efficiency. Thus, it was demonstrated that there is considerable potential for the production of ethanol using this raw material. Taking into account that the availability of this raw material is estimated at 1 million tonnes per year, the IRGA, we would have a much ethanol around 35 to 50 million liters per year. / Atualmente, existe grande preocupação em relação ao consumo de combustíveis fósseis, bem como um possível esgotamento das tradicionais fontes de produção de matéria-prima, principalmente os derivados de hidrocarbonetos. Paralelamente a isso, os desafios com a preservação do meio ambiente trazem para as discussões questões que envolvem os biocombustíveis e seus meios de obtenção. Isso posto, essa questão ambiental ainda traz grandes preocupações referentes à utilização de matérias primas que exijam menos gastos energéticos, bem como evitar a disputa por terras destinadas à produção de alimentos, o que acaba entrando na pauta das externalidades envolvendo o tema. No caso da produção de etanol de fontes amiláceas, os processos tradicionais ainda apresentam elevados custos de produção associados às enzimas empregadas e à grande demanda energética para a gelatinização do amido com altas temperaturas. Uma alternativa ao processo de hidrólise do amido granular é a utilização de enzimas capazes de processar esses amidos a baixas temperaturas, o que torna desnecessária a gelatinização e reduz o gasto energético, também denominado sacarificação e fermentação simultânea (SSF), apresentando considerável vantagem econômica. O Brasil é um tradicional produtor agrícola, sendo que a produção de arroz é bem expressiva e tem como um dos subprodutos o farelo de arroz. Este subproduto possui baixa valor comercial e é utilizado para extração de óleo, além de funcionar como ingrediente de ração animal e como fertilizante orgânico, estando, portanto, em perfeitas condições para utilização como matéria-prima amilácea para obtenção de etanol. A partir disso, este trabalho visa investigar a utilização e a viabilidade técnica do farelo de arroz, com a utilização de enzimas comerciais. Os dados iniciais para estabelecer os parâmetros de trabalho foram retirados da literatura. Tendo em vista o grande número de variáveis, utilizou-se a metodologia Plackett-Burman, visando verificar os efeitos das principais variáveis e selecionar as que tiveram maior efeito sobre o modelo. Dessa forma para o trabalho 1 em frascos agitados foram selecionadas as seguintes variáveis: concentração de farelo, percentual de inoculo, percentual de água de milho macerada, concentração de farelo de soja, percentual de enzima, tempo de adição de levedura e percentual de celulase. Desse planejamento inicial, entre as variáveis mais significativas e que, consequentemente, foram selecionadas para a aplicação do planejamento Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR), estão a concentração de farelo de arroz, o percentual de inoculo e o percentual de celulase. Para o trabalho 2 em biorreator de 3 litros, foram investigadas as variáveis agitação e temperatura na produção de etanol. Para análise do açúcar redutor dos experimento foi utilizado a metodologia de DNS (Miller, 1959), e para análise do etanol presente nos ensaios foram retirados amostras e submetidas ao Alcolyzer. Para os ensaios realizados no primeiro trabalho a maior quantidade de etanol foi de 172,70 gramas de etanol por quilograma de farelo de arroz, com eficiência de 84%. Para os experimentos realizados no segundo trabalho, com reator de 3 L o melhor resultado foi 182,52 gramas de etanol por quilograma de farelo de arroz com eficiência de 89 %.Dessa forma, foi demonstrado que existe um potencial considerável para produção de etanol utilizando esta matériaprima, tendo em vista que há a estimativa de 1 milhão de toneladas por ano, com a possibilidade de produção de 35 a 50 milhões de litros adicionais de etanol por ano.

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O ácido lático produzido por bactérias láticas constitui um sério problema nas fermentações industriais. Por este motivo, os efeitos deste ácido adicionado sobre a produção de etanol por levedura em meio sintético foi estudado no presente trabalho. Assim, foi possível evitar a interferências de um processo contendo uma cultura mista de bactérias láticas e levedura. Além disto, o meio sintético foi utilizado a fim de evitar as variações na composição da matéria-prima, no caso o melaço de cana-de-açúcar, durante a estocagem por um longo período de tempo. Inicialmente, dois planejamentos fatoriais foram realizados em batelada simples. Após a validação deste sistema, uma produção máxima de etanol (72,1 g.L-1) e uma boa retenção de viabilidade celular (86,4%) foram conseguidas utilizando-se inóculo bastante alto (40 g.L-1, massa seca) numa fermentação contendo 200 g.L-1 de sacarose inicial. Nestas condições, experimentos em batelada simples em mini-reatores foram realizados operando a 34 °C e em presença de 0 a 1,0 g.L-1 de ácido lático. Neste experimento, o pH do meio tornou-se bastante baixo (2,3 a 2,7). Por este motivo, outra fermentação em batelada simples foi realizada com o reajuste do pH inicial para 4,5 logo após adição de todos os componentes ao reator. O reajuste do pH inicial causou um aumento significativo tanto na produtividade e na velocidade específica máxima de etanol quanto na viabilidade final na batelada simples. Depois disto, comparações da batelada simples com a batelada alimentada continuamente e por pulsos também foram realizadas em presença de ácido lático. Observou-se que o processo de batelada com alimentação contínua consumiu açúcar mais lentamente, apresentou maior perda em viabilidade e maior produção de biomassa que a batelada simples enquanto que o processo de batelada alimentada por pulsos foi bem semelhante. A elevação da concentração do ácido lático (2,0 g.L-1 a 4,0 g.L-1) nos reatores permitiu a tamponagem do meio sintético logo após o reajuste inicial de pH para 4,5. Nestas condições, também houve semelhança entre os processos de batelada simples e batelada alimentada por pulsos. Em batelada alimentada por pulsos, verificou-se que a diminuição da quantidade de inóculo levou a perdas de viabilidade celular por causa do aumento do ácido externo em relação à quantidade de células no reator. De uma maneira geral, a presença de ácido lático causou aumentos no consumo de açúcar em todos os processos. Fermentações sucessivas foram realizadas, adicionado 3 pulsos de sacarose e 2,0 g.L-1 de ácido lático (em relação ao volume final do meio), a levedura 63M passou por um processo de adaptação até o terceiro ciclo. Além disto, houve uma redução na proteína intracelular final e um aumento na acidez total em presença ácido lático. No entanto, a produção de glicerol e a produção de trealose aumentaram e foram semelhantes tanto em presença quanto em ausência de pulsos de ácido lático. / Lactic acid produced by lactic bacteria is a problem serious in fermentation alcohol plants. For this reason, the effects of this added acid on ethanol by yeast in synthetic medium were studied in the present work. Thus, it was possible to avoiding interferences of a process containing a miscellaneous culture of lactic bacteria and yeast. Besides, synthetic medium was used to avoiding variations in raw material, sugar-cane molasses in this case, during the storage by a large period of time. Initially, two factorial planning were used in simple batch under agitation. After validation of these plannings, maximal ethanol production (72.1 g.L-1) with well retention of viability (86,4%) were obtained using high inoculum size (40 g.L-1, dry weight) in fermentation containing 200 g.L-1 initial sucrose. In these conditions, fermentations in simples batch in mini-reactors were carried out at 34 °C and in presence of 0 to 1,0 g.L-1 added lactic acid. In this experiment, the medium pH became very small (2.3 to 2.7). For this reason, another fermentation in simple batch was realized with initial pH readjusted for 4,5 after addition of all of medium compounds in the reactor. The readjusted of initial pH caused a significative increase as in productivity and maximal-specific rate of ethanol as in final viability in simple batch process. After this, comparisons among simple batch and continuous-fed batch and pulses-fed batch were made in the presence of lactic acid. In these experiments, continuous-fed batch process showed sugar uptake more slowly, showed more drops in viability and more biomass production than simple batch process, while the pulses-fed batch was similar than simple batch process. In addition, the elevation of lactic acid concentration for 2,0 g.L-1 to 4,0 g.L-1 in the reactors permitted the pH maintenance of synthetic medium after initial pH readjusted for 4,5. In these conditions, the simple batch and pulses-fed batch processes also were similar. In pulses-fed batch culture, the decrease of inoculum size caused drops in viability because of the increase of endogenous acid in relation to cell quantity in the reactor. Generally, the presence of lactic acid causes increases in sugar uptake in all of process. Fermentations with cell reuse were carried out in fed batch process with pulses of sucrose and 2,0 g.L-1 lactic acid (in relation to final medium volume), yeast 63M undertook to adaptation process until the third fermentation cycle. In adittion, a decrease of final intracellular protein and an increase of total acidity in presence of lactic acid. However, glycerol and trehalose productions increased with the fermentative cycles and were similar as in presence as in absence of added lactic acid.

Consequências decorrentes da influência antrópica no aquecimento global têm apontado para a real necessidade de utilização de alternativas energéticas renováveis e, dentre estas, dos agrocombustíveis. Nesse contexto, a crescente e significativa demanda interna e externa por etanol de cana-de-açúcar implicam em diversas transformações espaciais em nível nacional, estadual e municipal, movimentando a economia e indicando impactos socioambientais relacionados aos aspectos produtivos, sobretudo ligados à monocultura canavieira. Com o processo de descentralização da gestão ambiental no Brasil, concebido a partir da Política Nacional de Meio Ambiente, os municípios se vêem pressionados a atuar em seus territórios, mas para que isso aconteça de maneira efetiva, além da necessidade de articulação dos órgãos ambientais entre as distintas esferas do Poder Público, cada município precisa instituir seu Sistema Municipal de Meio Ambiente, SISMUMA. Assim, o objetivo maior da presente pesquisa é verificar a atuação do SISMUMA frente à crescente produção de etanol de cana-de-açúcar no Estado de São Paulo, consistindo, além da revisão bibliográfica sobre a temática, em estudo de casos nos municípios de Brotas e Araraquara. / The effects of human activities on global warming have highlighted to need to use alternative energy sources, among these, the biofuels. In this context, the large and growing domestic and international demand for sugarcane ethanol implies several spatial transformations at the national, state and municipal levels, boosting the economy and causing socio and environmental impacts related to productive activities, especially sugarcane monoculture. With the decentralization of environmental management in Brazil, as conceived of by the Environmental National Politic, municipalities have been under pressure to act in their domains. However, for efficient implementation, each municipality must establish its Municipal Environmental System, the so called SISMUMA, and there is thefor environmental agencies and the various Government agents to coordinate their efforts. Therefore, the main objective of this research is to verify SISMUMA\'s capability to act in the face of the growing production of sugarcane ethanol in São Paulo. The study involved review of the literature on the subject and case studies in the municipalities of Brotas and Araraquara.

Nesta tese, a ressonância magnética nuclear do estado sólido (SSNMR) foi utilizada para estudar a composição química e estrutura dos componentes da parede celular de plantas. Visando contribuir no desenvolvimento de estratégias de despolimerização da biomassa, SSNMR foi inicialmente utilizada para estudar efeitos dos pré-tratamentos químicos e físicos, e da ação de enzimas sobre algumas biomassas. Os resultados mostraram que, em baixas concentrações, tratamentos ácidos são altamente efetivos na remoção das frações de hemicelulose, com pouco efeito nas frações de lignina e celulose. Já tratamentos alcalinos promovem eficiente deslignificação da biomassa, sendo que a mínima concentração da solução alcalina necessária para obter a máxima deslignificação depende do tipo de biomassa e da temperatura do tratamento. Os estudos por SSNMR foram correlacionados com estudos por outras técnicas, contribuindo para um entendimento mais profundo sobre o efeito dos pré-tratamentos e da hidrolise enzimática em diferentes biomassas. Outra parte da tese aborda a determinação da cristalinidade de celulose nativa (não extraída) de biomassa de bagaço de cana-de-açúcar. Utilizando a técnica de polarização cruzada em múltiplas etapas (Multi-CP) e um procedimento de subtração espectral, foi possível isolar os sinais de RMN da celulose nativa e a partir daí avaliar o índice de cristalinidade (CI). Esse método foi utilizado para avaliar o CI da celulose nativa de bagaço de cana-de-açúcar submetido à pré-tratamentos com H2SO4 e NaOH e os resultados não mostraram variações significativas do CI da celulose nas concentrações utilizadas, apesar do aumento da eficiência da hidrólise. Assim, ao contrário de muitos trabalhos encontrados na literatura, não parece que a cristalinidade da celulose seja um fator primordial no aumento de eficiência da hidrólise enzimática. Na parte final da tese, as interações intermoleculares entre os dois principais polissacarídeos da biomassa: celulose e xilano foram investigadas utilizando uma variedade de técnicas avançadas de RMN bidimensional. Neste trabalho, a arquitetura molecular de hastes de plantas de Arabidopsis Thaliana, sem nunca serem seca foi estudada. Utilizando a técnica refocused J-INADEQUATE (Increadible Natural Abundance Double Quantum Transfer Experiment via J coupling) observamos dois conjuntos de deslocamentos químicos distintos para o xilano, sendo um deles coincidente com aquele observado em solução. Em seguida, utilizamos experimentos SSNMR com o intuito de investigar se algum desses domínios de xilano estaria vinculado com a celulose. Experimentos CP-PDSD (Proton Driven Spin Diffusion detected via 13C through Cross-Polarization) demonstram a existência de proximidade espacial entre o novo domínio do xilano e o domínio da celulose. A comparação de resultados entre as amostras de padrão e o seu mutante deficiente em celulose (irx3) indicaram que o xilano com novo deslocamento químico é fortemente dependente da presença de celulose. A análise da mobilidade molecular pela técnica Dipolar Chemical Shift Correlation (DIPSHIFT), mostrou que as moléculas do novo domínio do xilano são altamente rígidas - uma característica partilhada com a celulose. Combinados, esses dados fornecem evidências de uma arquitetura molecular específica entre os dois polissacarídeos majoritários da parede celular. / Solid-state nuclear magnetic resonance (SSNMR) was used to study the chemical composition and structure of plant cell wall components. Aiming the development of depolymerization strategies, SSNMR was initially used to study the effects of chemical and physical pre-treatments, as well as the enzymatic action on the structure and composition of biomasses. The results showed that, at low concentrations, pre-treatments with acids are highly effective for removal of hemicellulose without significant effect on lignin and cellulose. In turn, the alkaline pre-treatment promotes efficient delignification of the biomass. The minimum concentration of the alkaline solution required to achieve the maximum delignification depends on the type of biomass and treatment temperature. SSNMR studies were correlated with studies using other techniques, contributing to an in-depth understanding of the effect of pre-treatments and enzymatic hydrolysis in different biomasses. Another part of the thesis discusses is the determination of native cellulose crystallinity (not extracted) of sugarcane bagasse biomasses. Using the cross-polarization technique in multiple blocks (Multi-CP) and a spectral subtraction approach, it was possible to isolate the NMR signals of the native cellulose and to evaluate the crystallinity index (CI). This method was used to accessof the CI of cellulose in sugarcane bagasse samples pre-treated with H2SO4 and NaOH. The results did not show significant variations of the cellulose CI, at the concentration used here, despite the increase in the hydrolysis efficiency. Thus, in contrast to some studies in the literature, it does not appear that the crystallinity of cellulose is a primary limiting factor concerning the enzymatic hydrolysis efficiency in biomasses. In the final part of this thesis, the intermolecular interactions between the two main polysaccharides of the plant cell wall, cellulose and xylan, were investigated using advanced two-dimensional NMR techniques. The molecular architecture of 13C labelled never-dried Arabidopsis Thaliana stems was studied. Using refocused J-INADEQUATE (Increadible Natural Abundance Double Quantum Transfer Experiment via J coupling) we observed two distinct chemical shifts in xylan, one of which coincides with that observed in solution. Next, we used SSNMR experiments toinvestigate the interaction between the novel xylan and cellulose domains. CP-PDSD (Proton Driven Spin Diffusion detected via 13C through Cross-Polarization) experiments demonstrated spatial proximity between the new xylan and cellulose domains. The same approach was used to study cellulose deficient (irx3) mutants and the comparison between the results indicate that the new xylan domain is cellulose-dependent. Dipolar Chemical Shift Correlation (DIPSHIFT) experiments were performed to analyse the molecular mobility of these polysaccharides showing that the novel xylan is highly rigid - a characteristic which is shared with cellulose. Combined, these data provide evidence for a specific molecular architecture between the two most common polysaccharides in plant cell walls.