Após as crises de petróleo ocorridas no século passado, vários países buscaram o desenvolvimento de novos combustíveis a fim de reduzir a dependência deste recurso natural. O Brasil foi um deles e criou o Programa Nacional do Álcool (Pró-Álcool) para incentivar a produção de etanol. Hoje, mais de 80% da frota nacional de veículos rodam ou somente com etanol ou com a mistura de gasolina e etanol. Para atender a crescente demanda de etanol, sem competir com áreas cultiváveis voltadas para produção de alimentos, fontes de materiais lignocelulósicos podem ser utilizadas com o intuito de se aproveitar a fração celulósica para obtenção de açúcar fermentável. Neste trabalho propôs-se avaliar o efeito de tecnologias de pré-tratamento dos subprodutos sucroalcooleiros (bagaço e palha de cana), seguida ou não de uma etapa de deslignificação, sobre a conversão enzimática da celulose de cada biomassa vegetal. Os materiais lignocelulósicos foram pré-tratados por explosão a vapor (bagaço), impregnação a vapor (palha) e por ultrassom (bagaço e palha). A etapa de pré-tratamento por explosão a vapor foi realizada no reator industrial de 5 m3 sob a condição de 200°C por 7min, das Usinas de Açúcar, Álcool e Biodiesel Vale do Rosário. A etapa de pré-tratamento por impregnação de vapor foi realizada em reator de 20 L sob as condições de 180, 185, 190, 195 °C por 10 min e 190°C por 15 min. Já a etapa de pré-tratamento por ultrassom foi realizada em banho de ultrassom a 55°C por 40 min e radiação de 40 kHz/120W. Os materiais pré-tratados foram deslignificados sob a condição de NaOH 1% (m/v), 100°C por 1h, variando somente o tamanho reator em função da quantidade de biomassa disponível. Para o bagaço explodido a vapor, a deslignificação organosolv também foi testada, variando as condições numa matriz de planejamento L18 de Taguchi. Os ensaios de hidrólise enzimática foram realizados empregando Celluclast 1.5L (15 FPU/g de amostra) e ?-Glucosidase (10 UI/g de amostra). Das três técnicas de pré-tratamento avaliadas (explosão a vapor, impregnação a vapor e ultrassom), somente os métodos baseados em vapor foram eficientes na desagregação dos constituintes dos subprodutos sucroalcooleiros. Esses métodos foram capazes de remover grande parte da hemicelulose (acima de 70%) e uma parte da lignina (<40%), elevando a digestibilidade da celulose pelas enzimas celulolíticas (conversão de 66 a 68%). O método de pré-tratamento com ultrassom provocou o aumento da recalcitrância dos materiais lignocelulósicos tanto para o agente deslignificante (soda cáustica) como para as celulases, sendo, portanto, um método não indicado, dentro da faixa das condições avaliadas, para um processo de conversão dos subprodutos sucroalcooleiros em açúcares fermentáveis. A etapa de deslignificação com soda cáustica foi essencial para elevar a digestibilidade dos materiais lignocelulósicos pré-tratados por explosão a vapor ou com ultrassom. Entretanto, para a palha pré-tratada hidrotermicamente, a etapa de extração alcalina não promoveu um efeito positivo sobre a conversão enzimática de celulose. De forma geral, observou-se que o bagaço de cana apresenta um potencial ligeiramente maior para conversão em açúcares fermentáveis em comparação com a palha de cana. / After the oil crises occurred in the last century, many countries have been to develop new fuels to reduce dependence on this natural resource. Brazil was one of them and created the National Alcohol Program (Pro-álcool) to promote the production of ethanol. Today, more than 80% of the national vehicles run on ethanol or with a mixture of gasoline and ethanol. To supply the growing demand for ethanol, without it to affect the food production farmland, sources of lignocellulosic materials can be used in order to take advantage of the cellulosic fraction for production of fermentable sugar. This work had objective to evaluate the effect of pretreatment technologies of sugarcane byproducts (bagasse and straw), followed or not by a stage of delignification, on the cellulose enzymatic conversion of each biomass. The lignocellulosic materials were pretreated by steam explosion (bagasse), vapor impregnation (straw) and ultrasound (bagasse and straw). The steam explosion pretreatment was carried out in 5 m3 industrial reactor under the condition of 200 °C for 7 min, from Usinas de Açúcar, Álcool e Biodiesel Vale do Rosário. The steam impregnation pretreatment was carried out in 20 L reactor under conditions of 180, 185, 190, 195 °C for 10 min and 190 °C for 15 min. The ultrasound pretreatment was performed in the ultrasonic bath at 55 °C for 40 min and 40 kHz/120W radiation. The pretreated materials were deslignified on condition of 1% (w/v) NaOH, 100 °C for 1 h, using different sizes of reactors due to amount of biomass available. For the steam exploded bagasse, one stage of organosolv delignification was also tested varying the conditions in a L18 Taguchi matrix. The enzymatic hydrolysis tests were performed using Celluclast 1.5L (15 FPU/g of material) and ?-Glucosidase (10 IU/g of material). From three pretreatment techniques evaluated (steam explosion, steam impregnation and ultrasonic), only the vapor-based methods were efficient in the breakdown of the constituents of sugarcane byproducts. These methods were able to remove most of the hemicellulose (above 70%) and a part of the lignin (<40%), increasing the cellulose digestibility by cellulolytic enzymes (conversion 66-68%). The ultrasound pretreatment increases the recalcitrance of lignocellulosic materials both for the caustic soda and for cellulases. Therefore, this pretreatment method is not indicated, within the conditions range assessed, for a conversion process of sugarcane byproducts to fermentable sugars. The delignification stage with caustic soda was essential to increase the digestibility of lignocellulosic materials pretreated by steam explosion or ultrasound. However, for the straw pretreated hydrothermically, the alkaline extraction did not cause a positive effect on the enzymatic conversion of cellulose. Overall, it was observed that sugarcane bagasse has a slightly higher potential for conversion to fermentable sugars in relation to sugarcane straw.

A necessidade de desenvolver novos materiais que atendam aos aspectos econômicos e ambientais leva à busca de se fazer uso dos recursos naturais para várias aplicações tecnológicas. Assim, o desenvolvimento de materiais compósitos poliméricos utilizando fibras naturais como reforço é crescente, e vem ocupando novos segmentos de mercado, devido ao baixo custo das fibras, biodegradabilidade, menor densidade e boas propriedades mecânicas. Este trabalho teve como objetivo a separação dos principais componentes da palha e do bagaço de cana-de-açúcar para a obtenção de insumos químicos com maior valor econômico, sendo proposta a obtenção e caracterização da celulose, que será utilizada como reforço, e da lignina que atuará como agente compatibilizante em compósitos poliméricos. Para alcançar os objetivos propostos no projeto, foi realizado o pré-tratamento por ácido diluído da palha e do bagaço de cana-deaçúcar, seguido de uma etapa de deslignificação com NaOH. As polpas de bagaço e de palha foram submetidas a um pré-branqueamento com xilanase e a um branqueamento composto de extração alcalina, quelação com EDTA e tratamento com peróxido de hidrogênio. O licor negro foi acidificado para que as ligninas precipitassem. Após lavagem, secagem e maceração, as ligninas obtidas foram submetidas ou não à oxidação química em meio ácido com peróxido de hidrogênio. Além da caracterização química das frações a cada etapa do processamento, foram determinados o número Kappa, viscosidade, e também foram feitas medidas de DRX e MEV. A confirmação e extensão da reação de oxidação das ligninas foi avaliada por RMN, FTIR, MEV e TGA/DSC. Os compósitos foram obtidos por mistura em homogeneizador termocinético de alta intensidade e, depois de injetados, caracterizados por ensaios mecânicos, análises térmicas, microscopia, FTIR, medidas de ângulo de contato e energias de superfície, absorção de água e sorção dinâmica de vapor. Os resultados obtidos por meio da caracterização química, número Kappa e viscosidade indicaram expressiva remoção de hemiceluloses e de lignina durante todas as etapas de obtenção da celulose branqueada, tanto de bagaço quanto de palha, mas também houve significativa perda de celulose. Os resultados de DRX mostraram significativa diminuição da cristalinidade da celulose, para as duas biomassas estudadas. Os resultados de FTIR e RMN confirmaram a mudança na estrutura das ligninas após a oxidação. O tempo de mistura dos compósitos variou com a composição e/ou presença ou não de lignina/lignina oxidada. Nas análises de TGA observou-se que os compósitos PP/celulose sem a adição de lignina/lignina oxidada apresentaram temperatura inicial de decomposição menor do que os compósitos nos quais utilizou-se a lignina como aditivo. As curvas de DSC dos compósitos apresenta perfil e picos de temperatura e entalpias de fusão semelhantes ao PP puro. A lignina não tem notável efeito sobre as propriedades mecânicas dos compósitos, sendo que a melhora nestas propriedades é principalmente devido à incorporação das fibras de celulose. As imagens de MEV para as ligninas mostraram o grande efeito da oxidação sobre a superfície deste material. A análise do ângulo de contato estático para ligninas mostrou que a oxidação produziu um material mais hidrofóbico. As energias de superfície mostraram que os compósitos têm uma superfície mais hidrofóbica do que o PP puro. As curvas de FTIR dos materiais mostraram-se bastante similares, porém as maiores diferenças foram na intensidade das bandas correspondentes aos grupos hidroxila presentes nas fibras e, aos anéis aromáticos da estrutura da lignina. Os resultados DVS mostraram que a absorção de umidade dos compósitos é muito baixa, e corrobora os resultados de absorção de água. / The need of developing new materials that attend economic and environmental aspects leads to the search of using natural resources for various technological applications. Thus, the development of polymeric composite materials using natural fibers as reinforcement is growing, and occupying new market segments, due to the low cost of fibers, biodegradability, low density and good mechanical properties. This work aimed to separate the main components of sugarcane straw and bagasse for obtaining chemical products with higher economic value, it proposes the obtaining and characterization of cellulose, which will be used as a reinforcement, and of the lignin that will act as coupling agent in polymeric composites. To achieve these objectives, it was carried out a dilute acid pretreatment of straw and bagasse of sugar cane, followed by a step of delignification with NaOH. The pulps of bagasse and straw were submitted to a pre-bleaching with xylanase and a bleaching step, composed by an alkaline extraction, EDTA chelation and a treatment with hydrogen peroxide. The black liquor was acidified for the precipitation of the lignins. After washing, drying and milling, the lignins obtained were subjected or not to an oxidation reaction in acid medium with hydrogen peroxide. In addition to the chemical characterization of the fractions at each stage of processing, the Kappa number and viscosity were determined, and it was also made measures of DRX and MEV for bagasse and straw. The confirmation of the oxidation reaction of the lignins was analysed by NMR, FTIR, MEV and TGA/DSC. The composites were obtained by mixing in thermokinetic mixer and once injected, they were characterized by mechanical tests, thermal analysis, microscopy, FTIR, contact angle and surface energies, water absorption and dynamic vapor sorption. The results obtained by the chemical characterization, Kappa number and viscosity indicated a great solubilization of hemicelluloses and lignin during all stages of production of bleached cellulose, both from bagasse and straw, but it was also observed an expressive cellulose loss. The results of DRX showed a great decrease of cellulose crystallinity, for both biomasses, demonstrating that the removal of hemicellulose and lignin affected the structure of cellulose. The FTIR and NMR results confirmed the change in structure of the lignins after oxidation. The mixing time of composites varied with the composition and the presence or absence of lignin/oxidized lignin. From TGA analyses it was observed that the composites PP/cellulose without the addition of oxidized lignin/lignin showed an initial degradation temperature lower than the composites in which lignin was used as an additive. The DSC curves of composites presents profile and temperature peaks and enthalpies of fusion similar to pure PP. Lignin has no remarkable effect on the mechanical properties of the composites, and the improvement in these properties is mainly due to the incorporation of the cellulosic fibers. MEV pictures of lignins showed that the oxidation had a great effect on the surface of this material. From the analysis of the static contact angle for lignins, it was observed that the oxidation produced a more hydrophobic material. The energies of surface showed that the composites have a more hydrophobic surface than the pure PP. FTIR curves of materials were quite similar, however the greatest differences were in the intensity of the bands corresponding to the hydroxyl groups present in the fibers and the aromatic rings of lignin structure. DVS results showed that the moisture absorption of composites is very low, and corroborates the results of water absorption.

A necessidade de desenvolver novos materiais que atendam aos aspectos econômicos e ambientais leva à busca de se fazer uso dos recursos naturais para várias aplicações tecnológicas. Assim, o desenvolvimento de materiais compósitos poliméricos utilizando fibras naturais como reforço é crescente, e vem ocupando novos segmentos de mercado, devido ao baixo custo das fibras, biodegradabilidade, menor densidade e boas propriedades mecânicas. Este trabalho teve como objetivo a separação dos principais componentes da palha e do bagaço de cana-de-açúcar para a obtenção de insumos químicos com maior valor econômico, sendo proposta a obtenção e caracterização da celulose, que será utilizada como reforço, e da lignina que atuará como agente compatibilizante em compósitos poliméricos. Para alcançar os objetivos propostos no projeto, foi realizado o pré-tratamento por ácido diluído da palha e do bagaço de cana-deaçúcar, seguido de uma etapa de deslignificação com NaOH. As polpas de bagaço e de palha foram submetidas a um pré-branqueamento com xilanase e a um branqueamento composto de extração alcalina, quelação com EDTA e tratamento com peróxido de hidrogênio. O licor negro foi acidificado para que as ligninas precipitassem. Após lavagem, secagem e maceração, as ligninas obtidas foram submetidas ou não à oxidação química em meio ácido com peróxido de hidrogênio. Além da caracterização química das frações a cada etapa do processamento, foram determinados o número Kappa, viscosidade, e também foram feitas medidas de DRX e MEV. A confirmação e extensão da reação de oxidação das ligninas foi avaliada por RMN, FTIR, MEV e TGA/DSC. Os compósitos foram obtidos por mistura em homogeneizador termocinético de alta intensidade e, depois de injetados, caracterizados por ensaios mecânicos, análises térmicas, microscopia, FTIR, medidas de ângulo de contato e energias de superfície, absorção de água e sorção dinâmica de vapor. Os resultados obtidos por meio da caracterização química, número Kappa e viscosidade indicaram expressiva remoção de hemiceluloses e de lignina durante todas as etapas de obtenção da celulose branqueada, tanto de bagaço quanto de palha, mas também houve significativa perda de celulose. Os resultados de DRX mostraram significativa diminuição da cristalinidade da celulose, para as duas biomassas estudadas. Os resultados de FTIR e RMN confirmaram a mudança na estrutura das ligninas após a oxidação. O tempo de mistura dos compósitos variou com a composição e/ou presença ou não de lignina/lignina oxidada. Nas análises de TGA observou-se que os compósitos PP/celulose sem a adição de lignina/lignina oxidada apresentaram temperatura inicial de decomposição menor do que os compósitos nos quais utilizou-se a lignina como aditivo. As curvas de DSC dos compósitos apresenta perfil e picos de temperatura e entalpias de fusão semelhantes ao PP puro. A lignina não tem notável efeito sobre as propriedades mecânicas dos compósitos, sendo que a melhora nestas propriedades é principalmente devido à incorporação das fibras de celulose. As imagens de MEV para as ligninas mostraram o grande efeito da oxidação sobre a superfície deste material. A análise do ângulo de contato estático para ligninas mostrou que a oxidação produziu um material mais hidrofóbico. As energias de superfície mostraram que os compósitos têm uma superfície mais hidrofóbica do que o PP puro. As curvas de FTIR dos materiais mostraram-se bastante similares, porém as maiores diferenças foram na intensidade das bandas correspondentes aos grupos hidroxila presentes nas fibras e, aos anéis aromáticos da estrutura da lignina. Os resultados DVS mostraram que a absorção de umidade dos compósitos é muito baixa, e corrobora os resultados de absorção de água. / The need of developing new materials that attend economic and environmental aspects leads to the search of using natural resources for various technological applications. Thus, the development of polymeric composite materials using natural fibers as reinforcement is growing, and occupying new market segments, due to the low cost of fibers, biodegradability, low density and good mechanical properties. This work aimed to separate the main components of sugarcane straw and bagasse for obtaining chemical products with higher economic value, it proposes the obtaining and characterization of cellulose, which will be used as a reinforcement, and of the lignin that will act as coupling agent in polymeric composites. To achieve these objectives, it was carried out a dilute acid pretreatment of straw and bagasse of sugar cane, followed by a step of delignification with NaOH. The pulps of bagasse and straw were submitted to a pre-bleaching with xylanase and a bleaching step, composed by an alkaline extraction, EDTA chelation and a treatment with hydrogen peroxide. The black liquor was acidified for the precipitation of the lignins. After washing, drying and milling, the lignins obtained were subjected or not to an oxidation reaction in acid medium with hydrogen peroxide. In addition to the chemical characterization of the fractions at each stage of processing, the Kappa number and viscosity were determined, and it was also made measures of DRX and MEV for bagasse and straw. The confirmation of the oxidation reaction of the lignins was analysed by NMR, FTIR, MEV and TGA/DSC. The composites were obtained by mixing in thermokinetic mixer and once injected, they were characterized by mechanical tests, thermal analysis, microscopy, FTIR, contact angle and surface energies, water absorption and dynamic vapor sorption. The results obtained by the chemical characterization, Kappa number and viscosity indicated a great solubilization of hemicelluloses and lignin during all stages of production of bleached cellulose, both from bagasse and straw, but it was also observed an expressive cellulose loss. The results of DRX showed a great decrease of cellulose crystallinity, for both biomasses, demonstrating that the removal of hemicellulose and lignin affected the structure of cellulose. The FTIR and NMR results confirmed the change in structure of the lignins after oxidation. The mixing time of composites varied with the composition and the presence or absence of lignin/oxidized lignin. From TGA analyses it was observed that the composites PP/cellulose without the addition of oxidized lignin/lignin showed an initial degradation temperature lower than the composites in which lignin was used as an additive. The DSC curves of composites presents profile and temperature peaks and enthalpies of fusion similar to pure PP. Lignin has no remarkable effect on the mechanical properties of the composites, and the improvement in these properties is mainly due to the incorporation of the cellulosic fibers. MEV pictures of lignins showed that the oxidation had a great effect on the surface of this material. From the analysis of the static contact angle for lignins, it was observed that the oxidation produced a more hydrophobic material. The energies of surface showed that the composites have a more hydrophobic surface than the pure PP. FTIR curves of materials were quite similar, however the greatest differences were in the intensity of the bands corresponding to the hydroxyl groups present in the fibers and the aromatic rings of lignin structure. DVS results showed that the moisture absorption of composites is very low, and corroborates the results of water absorption.

Após as crises de petróleo ocorridas no século passado, vários países buscaram o desenvolvimento de novos combustíveis a fim de reduzir a dependência deste recurso natural. O Brasil foi um deles e criou o Programa Nacional do Álcool (Pró-Álcool) para incentivar a produção de etanol. Hoje, mais de 80% da frota nacional de veículos rodam ou somente com etanol ou com a mistura de gasolina e etanol. Para atender a crescente demanda de etanol, sem competir com áreas cultiváveis voltadas para produção de alimentos, fontes de materiais lignocelulósicos podem ser utilizadas com o intuito de se aproveitar a fração celulósica para obtenção de açúcar fermentável. Neste trabalho propôs-se avaliar o efeito de tecnologias de pré-tratamento dos subprodutos sucroalcooleiros (bagaço e palha de cana), seguida ou não de uma etapa de deslignificação, sobre a conversão enzimática da celulose de cada biomassa vegetal. Os materiais lignocelulósicos foram pré-tratados por explosão a vapor (bagaço), impregnação a vapor (palha) e por ultrassom (bagaço e palha). A etapa de pré-tratamento por explosão a vapor foi realizada no reator industrial de 5 m3 sob a condição de 200°C por 7min, das Usinas de Açúcar, Álcool e Biodiesel Vale do Rosário. A etapa de pré-tratamento por impregnação de vapor foi realizada em reator de 20 L sob as condições de 180, 185, 190, 195 °C por 10 min e 190°C por 15 min. Já a etapa de pré-tratamento por ultrassom foi realizada em banho de ultrassom a 55°C por 40 min e radiação de 40 kHz/120W. Os materiais pré-tratados foram deslignificados sob a condição de NaOH 1% (m/v), 100°C por 1h, variando somente o tamanho reator em função da quantidade de biomassa disponível. Para o bagaço explodido a vapor, a deslignificação organosolv também foi testada, variando as condições numa matriz de planejamento L18 de Taguchi. Os ensaios de hidrólise enzimática foram realizados empregando Celluclast 1.5L (15 FPU/g de amostra) e ?-Glucosidase (10 UI/g de amostra). Das três técnicas de pré-tratamento avaliadas (explosão a vapor, impregnação a vapor e ultrassom), somente os métodos baseados em vapor foram eficientes na desagregação dos constituintes dos subprodutos sucroalcooleiros. Esses métodos foram capazes de remover grande parte da hemicelulose (acima de 70%) e uma parte da lignina (<40%), elevando a digestibilidade da celulose pelas enzimas celulolíticas (conversão de 66 a 68%). O método de pré-tratamento com ultrassom provocou o aumento da recalcitrância dos materiais lignocelulósicos tanto para o agente deslignificante (soda cáustica) como para as celulases, sendo, portanto, um método não indicado, dentro da faixa das condições avaliadas, para um processo de conversão dos subprodutos sucroalcooleiros em açúcares fermentáveis. A etapa de deslignificação com soda cáustica foi essencial para elevar a digestibilidade dos materiais lignocelulósicos pré-tratados por explosão a vapor ou com ultrassom. Entretanto, para a palha pré-tratada hidrotermicamente, a etapa de extração alcalina não promoveu um efeito positivo sobre a conversão enzimática de celulose. De forma geral, observou-se que o bagaço de cana apresenta um potencial ligeiramente maior para conversão em açúcares fermentáveis em comparação com a palha de cana. / After the oil crises occurred in the last century, many countries have been to develop new fuels to reduce dependence on this natural resource. Brazil was one of them and created the National Alcohol Program (Pro-álcool) to promote the production of ethanol. Today, more than 80% of the national vehicles run on ethanol or with a mixture of gasoline and ethanol. To supply the growing demand for ethanol, without it to affect the food production farmland, sources of lignocellulosic materials can be used in order to take advantage of the cellulosic fraction for production of fermentable sugar. This work had objective to evaluate the effect of pretreatment technologies of sugarcane byproducts (bagasse and straw), followed or not by a stage of delignification, on the cellulose enzymatic conversion of each biomass. The lignocellulosic materials were pretreated by steam explosion (bagasse), vapor impregnation (straw) and ultrasound (bagasse and straw). The steam explosion pretreatment was carried out in 5 m3 industrial reactor under the condition of 200 °C for 7 min, from Usinas de Açúcar, Álcool e Biodiesel Vale do Rosário. The steam impregnation pretreatment was carried out in 20 L reactor under conditions of 180, 185, 190, 195 °C for 10 min and 190 °C for 15 min. The ultrasound pretreatment was performed in the ultrasonic bath at 55 °C for 40 min and 40 kHz/120W radiation. The pretreated materials were deslignified on condition of 1% (w/v) NaOH, 100 °C for 1 h, using different sizes of reactors due to amount of biomass available. For the steam exploded bagasse, one stage of organosolv delignification was also tested varying the conditions in a L18 Taguchi matrix. The enzymatic hydrolysis tests were performed using Celluclast 1.5L (15 FPU/g of material) and ?-Glucosidase (10 IU/g of material). From three pretreatment techniques evaluated (steam explosion, steam impregnation and ultrasonic), only the vapor-based methods were efficient in the breakdown of the constituents of sugarcane byproducts. These methods were able to remove most of the hemicellulose (above 70%) and a part of the lignin (<40%), increasing the cellulose digestibility by cellulolytic enzymes (conversion 66-68%). The ultrasound pretreatment increases the recalcitrance of lignocellulosic materials both for the caustic soda and for cellulases. Therefore, this pretreatment method is not indicated, within the conditions range assessed, for a conversion process of sugarcane byproducts to fermentable sugars. The delignification stage with caustic soda was essential to increase the digestibility of lignocellulosic materials pretreated by steam explosion or ultrasound. However, for the straw pretreated hydrothermically, the alkaline extraction did not cause a positive effect on the enzymatic conversion of cellulose. Overall, it was observed that sugarcane bagasse has a slightly higher potential for conversion to fermentable sugars in relation to sugarcane straw.