Orientador: Keizo Yukimitu / Resumo: Este trabalho visa o estudo da eficiência do uso da cinza de bagaço de cana-de-açúcar (CBC) como defloculante para materiais cerâmicos do tipo porcelanato, disponibilizada pela indústria Villagres, em comparação ao aditivo defloculante atualmente utilizado mesma, o silicato de sódio. O estudo do reaproveitamento deste material residual de origem orgânica na indústria cerâmica tem motivações que envolvem causas de disponibilidade, sustentabilidade, inovação e rentabilidade, motivações essas que, para este estudo em específico, foram fomentadas por resultados bastante promissores obtidos através de um estudo prévio envolvendo algumas destas mesmas variáveis citadas, em termos de redução do tempo de escoamento, e consequentemente, viscosidade. Materiais argilosos (argilominerais) fazem parte de grande parte da composição de massas cerâmicas. Durante o seu processo de moagem via úmida, observa-se nas argilas uma interação superficial de atração pelas forças de Van der Waals. Para que esta interação diminua e consequentemente a viscosidade da barbotina, utiliza-se aditivos defloculantes à base de sódio. O silicato de sódio é capaz de promover a troca catiônica dos cátions bivalentes. Conforme o decorrer do projeto, foram testadas diferentes formulações e metodologias nas instalações da indústria de porcelanato Villagres, com adições de silicato de sódio e/ou CBC aos materiais cerâmicos, e assim medir das viscosidades das misturas com o equipamento Copo de Ford para que fosse anali... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

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

This study investigated the chemical modification method by citric acid and its enhancement effect on the adsorption capacity of sugarcane bagasse (SB) for copper removal from aqueous solution. Characterization studies were performed by using Fourier transform infra red (FTIR), which showed the introduction of carboxylic group in the structure the modified sugarcane bagasse (MSB). Batch study revealed the influence of pH, time, initial concentration of metal ion on adsorption capacity. The data showed an extremely good fit to Langmuir isotherm model from which the maximum adsorption capacity estimated reached 28.17 mg/g at optimum pH 5.5. Fixed bed column study using the adsorbent MSB confirmed that the breakthrough curves of the adsorption processes were dependent on bed height, initial concentration and flow rate. Linear regression analysis of the data demonstrated that Yoon-Nelson kinetic models were appropriate to explain the breakthrough curves. / Nghiên cứu đã thực hiện biến tính hóa học vật liệu bã mía bằng acid citric và đánh giá khả năng hấp phụ ion Cu(II) trong nước của bã mía (SB) trước và sau biến tính axit citric. Khảo sát cấu trúc vật liệu thông qua phổ hồng ngoại FTIR cho thấy các nhóm chức carboxylic có khả năng hấp phụ kim loại xuất hiện trong vật liệu biến tính. Thí nghiệm mẻ đánh giá sự ảnh hưởng của pH, thời gian và nồng độ của vật liệu tự nhiên và biến tính đến khả năng hấp phụ ion Cu(II). Kết quả của thí nghiệm mẻ phù hợp với mô hình Langmuir với khả năng hấp phụ cực đại đạt 28,17 mg/g tại nồng độ pH tối ưu là 5,5. Kết quả thí nghiệm trên mô hình cột cho thấy đường cong thoát của quá trình hấp phụ của vật liệu biến tính và chưa biến tính phụ thuộc và chiều cao lớp vật liệu, nồng độ ion Cu(II) ban đầu và vận tốc dòng chảy qua cột. Các dữ liệu thu nhận được từ thực nghiệm phù hợp với mô hình động học Yoon-Nelson.

[pt] A industrialização e a crescente preocupação com o meio ambiente geram, cada vez mais, a busca por fontes de energia que emitam menos gases efeito estufa. A biomassa, devido a sua grande ocorrência ao redor do mundo e a sua diversidade, é uma forte alternativa aos combustíveis fósseis. Sua gaseificação gera um combustível gasoso chamado syngas. A problemática no manejo dos resíduos sólidos urbanos (RSU) e a grande disponibilidade do bagaço de cana-de-açúcar no Brasil fizeram deles tipos de biomassa de interesse para este trabalho. Objetivou-se simular no MATLAB® a gaseificação cocorrente de biomassa com ar a partir de uma abordagem cinética. O modelo foi validado com dados da literatura e aplicado à simulação da co-gaseificação de RSU e bagaço de cana-de-açúcar, na qual a razão de co-gaseificação (RCG) representou a percentagem de RSU na biomassa de entrada. Um planejamento composto central com 3 fatores e 3 níveis foi realizado, resultando em 27 ensaios variando os fatores RCG, umidade da biomassa e razão de equivalência. Foram criados modelos polinomiais para a composição do syngas obtido, o PCI do syngas, a eficiência energética do processo e a soma das frações molares de CO e H2 em base úmida. Os modelos foram considerados robustos, com valores de R2 e R2 ajustado variando de 0,96082 a 0,99345 e 0,94007 a 0,98998, respectivamente. O impacto dos fatores escolhidos nas respostas foi analisado, e os modelos de eficiência energética e soma das frações molares de CO e H2 foram maximizados. O caso otimizado, com RCG 7,98 porcento, umidade 5,00 porcento e razão de equivalência 0,18, resultou em um syngas de composição 3,72 porcento H2O, 29,68 porcento CO, 7,87 porcento CO2, 19,07 porcento H2 e 0,80 porcento de CH4 em mol, correspondendo a um PCI de 6,56 MJ/Nm3 e uma eficiência energética de 37,66 porcento. Por fim, o processo demonstrou bom potencial para geração de um gás rico em CO e H2. / [en] Industrialization and growing environmental concern are increasingly leading to the search for energy sources that emit less greenhouse gases. Biomass, due to its great accessibility around the world and its diversity, is a strong alternative to fossil fuels. Its gasification produces a gaseous fuel called syngas. The urban solid waste (MSW) management problems and the wide availability of sugarcane bagasse in Brazil made them types of biomass of interest for this work. This work aimed to model biomass gasification in MATLAB ® for a downdraft gasifier and air as gasifying agent, using a kinetic approach. The model was validated with experimental and numerical data from the literature and was then applied to MSW and sugarcane bagasse co-gasification simulation, in which co-gasification ratio (CGR) represented MSW percentage in the incoming biomass. A central composite design of experiments with 3 factors and 3 levels was carried out, resulting in 27 tests varying CGR, biomass moisture and equivalence ratio. Polynomial models were created for syngas composition, syngas LHV, process energy efficiency and sum of CO and H2 molar fractions on a wet basis. The models were considered robust, with values of R2 and adjusted R2 ranging from 0,96082 to 0,99345 and 0,94007 to 0,98998, respectively. The impact of each chosen factor was investigated, and the energy efficiency and sum of CO and H2 molar fractions models were maximized. The optimized case, with CGR 7,98 percent, biomass moisture 5,00 percent and equivalence ratio 0,18, resulted in a syngas composition of 3,72 percent H2O, 29,68 percent CO, 7,87 percent CO2, 19,07 percent H2 and 0,80 percent CH4 in molar basis, corresponding to a LHV of 6,56 MJ/Nm3 and an energy efficiency of 37,66 percent. By the end, the process showed great potential to produce a syngas rich in CO and H2.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012 / ENGLISH ABSTRACT: Through many years of research, a number of production schemes have been developed for converting lignocellulosic biomass into transport fuels. These technologies have been assessed through a number of techno-economic studies for application in a particular context in terms of the technical and economic feasibility. However, previous studies using these methods have tended to lack vigour in various aspects. Either the energy efficiency of the processes were not maximised through adequate heat integration, or a competing technology which existed was not considered. From an economic perspective, the financial models would often lack the vigour to account for the risk and uncertainty that is inherent in the market prices of the commodities. This phenomenon is especially relevant for the biofuel industry that faces the full fledge of uncertainties experienced by the agricultural sector and the energy sector. Furthermore, from an environmental perspective, the techno-economic studies had often ignored the environmental impacts that are associated with biofuel production. Thus, a comparative study could have favoured an option due to its economic feasibility, while it could have had serious environmental consequences. The aim of this study was to address these issues in a South African context, where biofuels could be produced from sugarcane bagasse. The first step would be to modify an existing simulation model for a bioethanol scenario that operates with a Separate Hydrolysis and Fermentation (SHF process) configuration into a second processing scenario that operates with a Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF process) configuration using reliable experimental data. The second step was to ensure that the maximum energy efficiency of each scenario was realised by carrying out pinch point analysis as a heat integration step. In contrast to these biological models is the thermochemical model that converts bagasse to gasoline and diesel via gasification, Fischer-Tropsch synthesis and refining (GFT process). While there were no significant advances in technology concerning this type of process, the energy efficiency was to be maximised with pinch point analysis. The GFT process obtained the highest energy efficiency of 50.6%. Without the affects of pinch point technology, the efficiency dropped to 46%, which thus emphasises the importance of heat integration. The SSF had an efficiency of 42.8%, which was superior to that of the SHF at 39.3%. This resulted from a higher conversion of biomass to ethanol in the SSF scenario. Comparing the SHF model to an identical model found in literature that did not have pinch point retrofits, this study showed lower efficiency. This arose because the previous study did not account for the energy demands of the cold utility systems such as the cooling tower operation, which has been shown in this study to account for 40% of the electrical energy needs. The economic viability of all three processes was assessed with Monte Carlo Simulations to account for the risks that the fluctuations in commodity prices and financial indices pose. This was accomplished by projecting the fluctuations of these parameters from samples of a historical database that has been transformed into a probability distribution function. The consequences were measured in terms of the Net Present Value (NPV) and Internal Rate of Return (IRR) for a large number of simulations. The results of these variables were aggregated and were then assessed by testing the probability that the NPV<0, and that the IRR recedes below the interest rate of 12.64%. The investment was thus deemed unfeasible if these probabilities were greater than 20%. Both biological models were deemed profitable in terms of this standard. The probabilities were 13% for the SSF and 14% for the SHF. The GFT process however was deemed completely unfeasible because the probability that the NPV<0 was 78%. Given that the GFT process had the highest energy efficiency, this result arises mainly because the capital investment of 140,000USD/MWHHV of biomass energy input is to enormous for any payback to be expected. The environmental footprint of each process was measured using Life Cycle Assessments (LCAs). LCAs are a scientifically intricate way of quantifying and qualifying the effects of a product or process within a specified boundary. The impacts are assessed on a range of environmental issues, such as Global Warming, Acidification, Eutrophication and Human toxicity. Furthermore, if the project under concern has multiple output products, then the impacts are distributed between the output products in proportion to the revenue that each generates. The impacts were either relative to the flow of feedstock, which was 600MW of bagasse, or to the functional unit, which was the amount of fuel required to power a standard vehicle for a distance of 1 kilometre. In either case, the GFT scenario was the least burdening on the environmental. This was expected because the GFT process had the highest energy efficiency and the process itself lacked the use of processing chemicals. Relative to the feedstock flow, the SSF was the most environmentally burdening scenario due to the intensive use of processing chemicals. Relative to the functional unit, the SHF was the most severe due to its low energy efficiency. Thus, the following conclusions were drawn from the study:  The GFT is the most energy and environmentally efficient process, but it showed no sign of economic feasibility. iv  There is no significant difference in the economic and environmental evaluation of the SSF and SHF process, even though the SSF is considered to be a newer and more efficient process. The major cause of this is because the setup of the SSF model was not optimised. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Deur baie jare van navorsing is ‘n aantal produksie-skemas vir die omskakeling van lignosellulose biomassa na vloeibarebrandstof ontwikkel. Hierdie tegnologië is geassesseer ten opsigte van die tegniese en ekonomiese haalbaarheid deur middel van tegno-ekonomiese studies in bepaalde tekste. Tog het hierdie vorige studies besliste beperkings gehad. Of die energie-doeltreffendheid van die proses is nie gemaksimeer deur voldoende hitte-integrasie nie, of 'n mededingende tegnologie wat bestaan is nie oorweeg nie. Vanuit 'n ekonomiese perspektief, was die finansiële modelle dikwels nie die omvattend genoeg om rekening te hou met die risiko en onsekerheid wat inherent is in die markpryse van die kommoditeite nie. Hierdie verskynsel is veral relevant vir die biobrandstof bedryf wat die volle omvang van onsekerhede ervaar waaraan die landbousektor en die energiesektoronderhewig is. Verder het die tegno-ekonomiese studies dikwels die omgewingsimpakte wat verband hou met biobrandstofproduksie geïgnoreer. Dus kon ‘n opsie deur die ekonomiese haalbaarheid bevoordeel word, ten spyte van die ernstige omgewingsimpakte wat dit kon inhou. Die doel van hierdie studie was om hierdie kwessies aan te spreek in 'n Suid-Afrikaanse konteks, waar biobrandstof uit suikerriet bagasse geproduseer kan word. Die eerste stap was om 'n bestaande simulasiemodel vir 'n bio-scenario wat met Afsonderlike Hidroliese en Fermentasie (SHF proses) stappe werk, te modifiseer vir 'n tweede verwerking scenario wat met 'n gelyktydige Versuikering en Fermentasie (SSF proses) konfigurasie werk. Die verandering is gedoen deur die gebruik van betroubare eksperimentele data. Die tweede stap was om te verseker dat elke scenario die maksimum energie-doeltreffendheid het, deur 'n hitte-integrasie stap, wat gebruik maak van “pinch-point” analise. In teenstelling met hierdie biologiese modelle, is daar die thermochemiese roete waar petrol en diesel van bagasse vervaardig word via vergassing, Fischer-Tropsch-sintese en rafinering (GFT proses). Daar was geen betekenisvolle vooruitgang in tegnologie vir hierdie proses nie, maar die energie-doeltreffendheid is gemaksimeer word deur energie-integrasie. Die GFT proses toon die hoogste energie-doeltreffendheid van 50,6%. Sonder die invloed van energie-integrasie het die doeltreffendheid gedaal tot 46%, wat dus die belangrikheid van hitte-integrasie beklemtoon. Die SSF het 'n effektiwiteit van 42,8% gehad, wat beter was as dié 39,3% van die SHF opsie. Hierdie hoër effektiwiteit wasas gevolg van die hoër omskakeling van biomassa na etanol in die SSF scenario. Die energie doeltreffendheid vir die SHF-model was laer as met 'n identiese model (sonder energie-integrasie) wat in die literatuur gevind wat is. Dit het ontstaan omdat die vorige studie nie 'n volledig voorsiening gemaak het met die energie-eise van die verkillingstelselsnie, wat tot 40% van die elektriese energie behoeftes kan uitmaak. Die ekonomiese lewensvatbaarheid van al drie prosesse is bepaal met Monte Carlo simulasies om die risiko's wat die fluktuasies in kommoditeitspryse en finansiële indekse inhou, in berekening te bring. Hierdie is bereik deur die projeksie van die fluktuasies van hierdie parameters aan die hand van 'n historiese databasis wat omskep is in 'n waarskynlikheid verspreiding funksie. Die gevolge is gemeet in terme van die netto huidige waarde (NHW) en Interne Opbrengskoers (IOK) vir 'n groot aantal simulasies. Die resultate van hierdie veranderlikes is saamgevoeg en daarna, deur die toets van die waarskynlikheid dat die NPV <0, en dat die IRR laer as die rentekoers van 12,64% daal, beoordeel. Die belegging is dus nie realiseerbaar geag as die waarskynlikhede meer as 20% was nie. Beide biologieseprosesse kan as winsgewend beskou word in terme van bostaande norme. Die waarskynlikhede was 13% vir die SSF en 14% vir die SHF. Aangesien die NHW van die GFT-proses onder 0 met ‘n waarskynlikheid van 78% is, is die opsie as nie-winsgewend beskou. Gegewe dat die GFT-proses die hoogste energie-doeltreffendheid het, is die resultaat hoofsaaklik omdat die kapitale belegging van 140,000 USD / MWHHV-biomassa energie-inset te groot is, om enige terugbetaling te verwag. Die omgewingsvoetspoor van elke proses is bepaal deur die gebruik van Lewens Siklus Analises (“Life Cycle Assessments”) (LCAS). LCAS is 'n wetenskaplike metodeom die effek van ‘n produk of proses binne bepaalde grense beide kwalitatief en kwantitatief te bepaal. Die impakte word beoordeel vir 'n verskeidenheid van omgewingskwessies, soos aardverwarming, versuring, eutrofikasie en menslike toksisiteit. Voorts, indien die projek onder die saak verskeie afvoer produkte het, word die impakte tussen die afvoer produkte verdeel, in verhouding tot die inkomste wat elkeen genereer. Die impak was met of relatief tot die vloei van roumateriaal (600MW van bagasse), of tot die funksionele eenheid, wat die hoeveelheid van brandstof is om 'n standaard voertuig aan te dryf oor 'n afstand van 1 kilometer. In al die gevalle het die GFT scenario die laagste belading op die omgewing geplaas. Hierdie is te verwagte omdat die GFT proses die hoogste energie-doeltreffendheid het en die proses self nie enige addisionele chemikalieë vereis nie. Relatief tot die roumateriaal vloei, het die SSF die grootse belading op die omgewing geplaas as gevolg van die intensiewe gebruik van verwerkte chemikalieë. Relatief tot die funksionele eenheid, was die SHF die swakste as gevolg van sy lae energie-doeltreffendheid.

A produção de biocombustíveis de segunda geração está entre os temas mais pesquisados atualmente. Entre estes, a obtenção de etanol a partir de bagaço de cana-de-açúcar é de grande interesse nacional, considerando-se a abundância desta matéria-prima no país e a possibilidade de incremento na produção deste álcool sem necessidade de expansão da área plantada. Sob o ponto de vista de produção industrial, no entanto, é fundamental o desenvolvimento de trabalhos visando ao estudo de alternativas de processos e biorreatores susceptíveis de ampliação de escala. Estratégias como sacarificação e fermentação/cofermentação simultâneas (SSF/SSCF) têm sido estudadas e têm como vantagens a intensificação do processo pela redução do custo de investimento e minimização de problemas de inibição de enzimas por produtos. No entanto, neste caso, geralmente o uso de condições não otimizadas (temperatura) para cada passo biológico é desvantajoso. Com o objetivo de superar essa desvantagem, avaliou-se o uso de reatores de coluna interconectados para a produção de etanol a partir de bagaço de cana-de-açúcar empregando células de Scheffersomyces shehatae imobilizadas em alginato de cálcio em sistema SSCF. O bagaço foi previamente pré-tratado por processo alcalino e alcalino assistido por cavitação hidrodinâmica. Experimentos em SSCF em batelada foram realizados usando duas colunas interconectadas. Uma delas (para hidrólise) foi mantida a 50ºC e carregada com bagaço pré-tratado e a outra coluna (para fermentação) foi mantida a 30°C e carregada com células imobilizadas. Meio contendo preparação comercial de celulases e nutrientes para o micro-organismo foi recirculado entre as colunas. Os efeitos da vazão de recirculação e carga enzimática foram avaliados usando planejamento estatístico como ferramenta. Dados iniciais de hidrólise enzimática em reator de coluna mostraram elevada taxa de reação no início do processo, com redução desta ao longo da hidrólise devido à recalcitrância crescente do material residual à ação enzimática. Os resultados obtidos no planejamento estatístico mostraram que a carga enzimática foi a variável mais influente no processo, embora a vazão de recirculação e a interação entre as variáveis também tenham apresentado efeitos significativos. As condições selecionadas corresponderam a uma vazão de recirculação de 14 mL/min e carga enzimática de 15 FPU/g e os experimentos nestas condições resultaram em valores de fator de rendimento (Yp/s) de 0,493 g/g, produtividade volumétrica de 0,469 g.L-1.h-1 e eficiência de 96,58%. Além disso, nestas condições, 70,72±1,32 % da celulose presente inicialmente no material e 56,37±0,76 % da hemicelulose foram hidrolisadas. O sistema mostrouse adequado para realização do processo SSCF, com potencial para ser utilizado para intensificação da produção de etanol 2G em biorrefinarias. / Currently, the production of second generation biofuels is one of the most researched topics. Among these, the ethanol obtained from sugarcane bagasse is of great national interest, considering the abundance of this raw material in the country and the possibility of increasing the production of this alcohol without the need of expanding the crop area. From viewpoint of industrial production, however, the development of studies of process alternatives and bioreactors adequate for scale up is fundamental. Strategies as saccharification and simultaneous fermentation/cofermentation (SSF/SSCF) have been studied and have as advantages the intensification of the process by reducing the cost of investment and minimizing problems of inhibition of enzymes by hydrolysis products. However, in this case, generally the use of non-optimized conditions (temperature) for each biological step is disadvantageous. In order to overcome this drawback, the use of interconnected column reactors for the production of ethanol from sugarcane bagasse was evaluated using calcium alginate immobilized cells of Scheffersomyces shehatae in SSCF system. The bagasse was previously pretreated by alkaline and hydrodynamic cavitation-assisted alkaline process. Batch experiments of SSCF were performed using two interconnected columns. One of them (for hydrolysis) was kept at 50 ° C and loaded with pre-treated bagasse and the other column (for fermentation) was kept at 30 ° C and loaded with immobilized cells. Medium containing comercial preparation of cellulases and nutrients for the microorganism was recirculated between the columns. The effects of recirculation flow and enzymatic loading were evaluated using statistical design as a tool. Initial data on enzymatic hydrolysis in a column reactor showed a high reaction rate at the beginning of the process, with a reduction in the hydrolysis rate along the process due to the increasing recalcitrance of the residual material to the enzymatic action. The results obtained in the statistical design showed that enzymatic loading was the most influential variable in the process, although the recirculation flow rate and the interaction between the variables also had significant effects. The selected conditions corresponded to a recirculation flow rate of 14 mL/min and enzyme loading of 15 FPU/g and the experiments carried out under these conditions resulted in yield factor (Yp/s) values of 0.493 g/g, volumetric productivity of 0.469 gL- 1.h-1 and fermentation efficiency of 96.58%. Moreover, under these conditions, 70.72±1.32 % of the cellulose initially present in the material and 56.37±0.76 % of the hemicellulose were hydrolyzed. The system proved to be adequate to perform the SSCF process, with potential to be used to intensify the production of 2G ethanol in biorefineries.

O mundo se depara atualmente com a perspectiva de um significativo aumento na demanda por etanol combustível. O bagaço de cana está entre os maiores subprodutos agroindustriais no Brasil, sendo uma das alternativas na utilização para a produção do etanol de segunda geração. A degradação do bagaço de cana requer a ação de muitas enzimas diferentes que são reguladas transcripcionalmente. Considerando-se que o custo de celulases e hemicelulases contribuem substancialmente no preço do bioetanol, novos estudos visando o entendimento da eficiência e produtividade de celulases são de grande importância. Para entender como melhorar coquetéis de enzimas que podem hidrolizar o bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado, uitlizou-se um experimento de genômica para investigar-se quais genes e vias são transcripcionalmente moduladas durante o crescimento de A. niger em bagaço de cana-de-açúcar explodido. Neste trabalho foram identificados genes que codificam celulases e hemicelulases com aumento da expresão durante o crescimento em bagaço de cana-de-açúcar explodido. Foi também realizada a determinação do acúmulo de mRNA de diversos genes que codificam transportadores para verificar se estes eram induzidos por xilose e por depedência de glicose. Foram identificados 18 genes que corresponde a 58% de celulases preditas em A. niger e 21 genes que correponde a 58% de hemicelulases preditas em A. niger os quias foram altamente expressos durante o crescimento em bagaço de cana-de-açúcar explodido. Foi investigado também o papel central realizado pelas proteínas quinases e fosfatases não essenciais (NPKs e NPPs, respectivamente) quando em presença de celulose como fonte de carbono, no sensoriamento do estado energético e na subsequente via de sinalização no fungo filamentoso modelo Aspergillus nidulans. O estudo com A. nidulans identificou 11 quinases e 7 fosfatases não essências, NPKs e NPPs, respectivamente, envolvidas na produção de celulases e em alguns casos, na produção também de hemicelulases. O envolvimento destas NPKs identificadas na resposta induzida por avicel e na desrepressão foram acessados pela análise do transcriptoma da cepa selvagem e por microscopia de fluorescência através da cepa de fusão CreA::GFP expressa no selvagem e no background dos mutantes de NPKs. A ausência das quinases snfA e schA reduziu dramaticamente a resposta transcricional induzida por celulose incluindo a expressão de enzimas hidrolíticas e transportadores, enquanto que a ausência de snfA resultou em uma quase completa modulação gênica induzida por celulose. O mecanismo pelo qual essas duas quinases controlam a transcrição gênica foi identificado, onde os dois mutantes de quinases foram capazes de desbloquear o CreA mediante a repressão catabólica do carbono (CCR), sob condições de desrepressão, como em baixa presença de carbono ou crescimento em celulose. Desta forma, este trabalho abriu novas possibilidades para o entendimento da sacarificação do bagaço de cana-de-açúcar por hidrolases de A. niger e para a construção de coquetéis de enzimas mais eficientes para a obtenção do etanol de segunda geração. Também possibilitou a identificação de muitas quinases e fosfatases envolvidas no sensoriamento do carbono e do estado energético, as quais demonstraram papéis sobrespostos e distintos de snfA e schA na regulação da desrepressão de CreA e na produção de enzimas hidrolíticas em A. nidulans. / The world today is faced with the prospect of a significant increase in demand for fuel ethanol. Sugarcane bagasse is among the largest agro-industrial by-products in Brazil, one of the alternatives in use for the production of second generation ethanol. Degradation of sugarcane bagasse requires the action of many different enzymes which are transcriptionally regulated. Considering that the costs of cellulases and hemicellulases contribute substantially to the price of bioethanol, new studies aimed at understanding and improving cellulase efficiency and productivity are of paramount importance. To understand how to improve enzymatic cocktails that can hydrolyze pretreated sugarcane bagasse, we used a genomics approach to investigate which genes and pathways are transcriptionally modulated during growth of A. niger on steam-exploded sugarcane bagasse. We also sought to determine whether the mRNA accumulation of several steam-exploded sugarcane bagasseinduced genes encoding putative transporters is induced by xylose and dependent on glucose. We identified 18 genes that corresponds to 58% of A. niger predicted cellulases and 21 genes that correspond to 58% of A. niger predicted hemicellulases, that were highly expressed during growth on sugarcane bagasse. The central role performed by nonessential protein kinases (NPK) and phosphatases (NPP) when grown on cellulose as a sole carbon source, in the sensing energetic status and the subsequent signalling pathways was assessed in the model filamentous fungus Aspergillus nidulans. This study identified multiple kinases and phosphatases (NPKs and NPPs, respectively) involved in the sensing of carbon or energetic status, while demonstrating the overlapping and distinct roles of snfA and schA in the regulation of CreA derepression and hydrolytic enzyme production in A.nidulans. The involvement of the identified NPKs in avicel-induced responses and CreA derepression was assessed by genome-wide transcriptomics and fluorescent microscopy of a CreA::GFP fusion proteinexpressed in the wild-type and NPK-deficient mutant backgrounds. The absence of either the schA or snfA kinase dramatically reduced cellulose-induced transcriptional responses including the expression of hydrolytic enzymes and transporters, while the absence snfA resulted in a near complete loss of wild-typecellulose-induced gene modulation. The mechanism by which these two NPKs controlled gene transcription was identified, as neither of NPK-deficient mutants were able to unlock CreA-mediated carbon catabolite repression, under derepressing conditions, such as carbon starvation or growth on cellulose. Our presently reported work opens new possibilities for understanding sugarcane biomass saccharification by A. niger hydrolases and for the construction of more efficient enzymatic cocktails for second-generation bioethanol. This work also enable the identification of multiple kinases and phosphatases involved in the sensing of carbon or energetic status, while demonstrating the overlapping and distinct roles of snfA and schA in the regulation of CreA derepression and hydrolytic enzyme production in A.nidulans.

Estudos in situ comumente são conduzidos com pequeno número de animais, existindo poucos trabalhos enfocando o impacto da variabilidade animal sobre seus resultados. O objetivo deste estudo foi explorar o efeito da variabilidade animal sobre as taxas fracionais de degradação (kd) de MS, FDN, FDA e CEL de forragens. Foi conduzido experimento utilizando trinta novilhos Nelore portadores de cânula ruminal (372 ± 16,02 kg P.V.). Dieta 1, todos os animais receberam dieta contendo 100% feno de Coast-cross + sal mineral, ambos ad libitum. Na Dieta 2, todos os animais receberam dieta com 88% de bagaço de cana in natura, 8% de farelo de soja, 2,8% de premix mineral e 1,2% de uréia. Em ambos os períodos foram incubadas amostras de feno de Coast-cross (Fc) (7,31% PB; 78,24% FDN; 40,92% FDA), bagaço de cana-de-açuçar (BAG) (3,04% PB; 90,31% FDN; 69,36% FDA) e feno Tifton-85 (Ft) (13,32% PB; 73,27% FDN; 39,29% FDA) em sacos de poliamida (10 cm x 20 cm; 30 ± 10 &mu;m porosidade) nos tempos 0, 12, 24, 48, 72 e 144 h. Os sacos foram suspensos no saco ventral do rúmen em ordem reversa e removidos simultaneamente no tempo zero. Os teores de MS, FDN, FDA e lignina nos resíduos foram determinados por química líquida e a CEL foi calculada por subtração do teor de lignina da fração do FDA. A cinética de degradação ruminal de MS, FDN, FDA e CEL foram calculadas de acordo com o modelo não linear Y(t) = a + b (1 - e(-kd × t) ); onde t >= 0. As atividades de comportamento ingestivo (ingestão, ruminação, ingestão de água e ócio) foram registradas em intervalos de 10 minutos durante 24 horas. Análise de Componentes Principais foi utilizada para determinar a correlação entre substratos; Análise Fatorial para caracterizar a população de animais (P<0,05); Análise de Agrupamento e Contrastes Multivariados para compor grupos dentro da população (P<0,01) e Análise de Correlação Canônica para determinar correlação entre kd e comportamento ingestivo (P<0,01). Simulação entre número de animais e coeficiente de variação (CV) foi realizada na tentativa de estimar a quantidade adequada de repetições para estes estudos. As médias de kd para MS, FDN, FDA e CEL foram: 3,26; 3,29; 3,44 e 3,54 para Fc; 3,74; 3,88; 4,07 e 4,49 para Ft; e 2,67; 2,68; 2,58 e 2,65 para BAG respectivamente. Foram compostos três níveis de kd para Fc e Ft (alto, médio e baixo) e quatro para BAG (alto, médio alto, médio baixo e baixo). O CV é adequado para mensuração da precisão do ensaio, sendo mais indicado o índice de variação (IV). Em ambas as fases, para todos os substratos, não houve correlação entre kd e comportamento ingestivo. As diferentes correlações de kd entre substratos para as duas fases, demonstra a influência da dieta ofertada sobre o kd. O estudo da variabilidade e o IV indicam que o número de animais é dependente do substrato avaliado, porém o estudo da variabilidade demonstra que os indivíduos que compõe este número são distintos entre dietas. / In situ studies are general carried out with a few number of animals and there are few trials that inquire the impact of animal variability on these results. The aim of this study was to investigate the effect of animal population variability on fractional disappearance rate (kd) of DM, NDF, ADF and cellulose (CEL). Experiment using thirty ruminally canullated Nellore bulls (372 ± 16.02 kg BW) was carried over. In phase 1, all animals received 100% Coast-cross hay with mineral mix ad libitum. In period 2, all animals received a diet containing 88% sugarcane bagasse, 8% soybean meal, 2.8% mineral mix and 1.2% urea (DM basis). In both trials, representative samples of Coast-cross hay (CCH - 7.31% CP, 78.24% NDF, 40.92% ADF), sugarcane bagasse (BAG - 3.04% CP, 90.31% NDF, 69.36% ADF) and Tifton-85 hay (TH - 13.32% CP, 73.27% NDF, 39.29% ADF) were incubated in polyamide-bags (10 cm × 20 cm; 30 ± 10 &mu;m pore size) for 0, 12, 24, 48, 72, and 144 h. Bags were suspended in the rumen ventral sac before at feeding in reverse order and removed simultaneously at time zero. Residual DM, NDF, ADF, and lignin were determined by wet chemistry. Cellulose (CEL) was calculated as ADF minus lignin. Ruminal degradation kinetics of DM, NDF, ADF, and CEL were calculated using a nonlinear model Y(t) = a + b (1 - e(-kd × t) ); where t >= 0. Feeding behavior parameters (eating, ruminating, water drinking and idling) were recorded every 10 minutes during 24 h. Principal component analysis was used to determine correlation of variables among substrates. Factorial Analysis was used to characterize animal population (P<0.05), Cluster with Multivariate Contrasts (P<0.01) to analyze differences in kd groups and Multivariate Canonical correlation analysis (P<0.05) to correlate kd with feeding behavior parameters. A simulation with number of animals was done against coefficient of variation (CV) to determinate optimum number of animals in an in situ assay. The kd (average) of DM, NDF, ADF, and CEL were: 3.26, 3.29, 3.44 and 3.54 for CCH; 3.74, 3.88, 4.07 and 4.49 for TH; and 2.67, 2.68, 2.58 and 2.65 for BAG, respectively. There was no correlation among substrates in both periods. Were found three groups of kd for CCH and TH (high, medium and low) and four groups for BAG (high, medium-high, medium, and low). CV is not adequate to measure experimental precision, instead it, variation index is indicated (VI). In both incubations phases, there was no relationship between feeding behavior and kd, for all incubated forages sources. The kd correlations among substrates between two incubation phases were different, indicating influence of the diet on kd. Variability investigation and VI parameter indicate that the number of animals necessary in these trials is affected by the substrate incubated. However, the variability investigation suggests that probably different animals compose this number.

Estudos in situ comumente são conduzidos com pequeno número de animais, existindo poucos trabalhos enfocando o impacto da variabilidade animal sobre seus resultados. O objetivo deste estudo foi explorar o efeito da variabilidade animal sobre as taxas fracionais de degradação (kd) de MS, FDN, FDA e CEL de forragens. Foi conduzido experimento utilizando trinta novilhos Nelore portadores de cânula ruminal (372 ± 16,02 kg P.V.). Dieta 1, todos os animais receberam dieta contendo 100% feno de Coast-cross + sal mineral, ambos ad libitum. Na Dieta 2, todos os animais receberam dieta com 88% de bagaço de cana in natura, 8% de farelo de soja, 2,8% de premix mineral e 1,2% de uréia. Em ambos os períodos foram incubadas amostras de feno de Coast-cross (Fc) (7,31% PB; 78,24% FDN; 40,92% FDA), bagaço de cana-de-açuçar (BAG) (3,04% PB; 90,31% FDN; 69,36% FDA) e feno Tifton-85 (Ft) (13,32% PB; 73,27% FDN; 39,29% FDA) em sacos de poliamida (10 cm x 20 cm; 30 ± 10 &mu;m porosidade) nos tempos 0, 12, 24, 48, 72 e 144 h. Os sacos foram suspensos no saco ventral do rúmen em ordem reversa e removidos simultaneamente no tempo zero. Os teores de MS, FDN, FDA e lignina nos resíduos foram determinados por química líquida e a CEL foi calculada por subtração do teor de lignina da fração do FDA. A cinética de degradação ruminal de MS, FDN, FDA e CEL foram calculadas de acordo com o modelo não linear Y(t) = a + b (1 - e(-kd × t) ); onde t >= 0. As atividades de comportamento ingestivo (ingestão, ruminação, ingestão de água e ócio) foram registradas em intervalos de 10 minutos durante 24 horas. Análise de Componentes Principais foi utilizada para determinar a correlação entre substratos; Análise Fatorial para caracterizar a população de animais (P<0,05); Análise de Agrupamento e Contrastes Multivariados para compor grupos dentro da população (P<0,01) e Análise de Correlação Canônica para determinar correlação entre kd e comportamento ingestivo (P<0,01). Simulação entre número de animais e coeficiente de variação (CV) foi realizada na tentativa de estimar a quantidade adequada de repetições para estes estudos. As médias de kd para MS, FDN, FDA e CEL foram: 3,26; 3,29; 3,44 e 3,54 para Fc; 3,74; 3,88; 4,07 e 4,49 para Ft; e 2,67; 2,68; 2,58 e 2,65 para BAG respectivamente. Foram compostos três níveis de kd para Fc e Ft (alto, médio e baixo) e quatro para BAG (alto, médio alto, médio baixo e baixo). O CV é adequado para mensuração da precisão do ensaio, sendo mais indicado o índice de variação (IV). Em ambas as fases, para todos os substratos, não houve correlação entre kd e comportamento ingestivo. As diferentes correlações de kd entre substratos para as duas fases, demonstra a influência da dieta ofertada sobre o kd. O estudo da variabilidade e o IV indicam que o número de animais é dependente do substrato avaliado, porém o estudo da variabilidade demonstra que os indivíduos que compõe este número são distintos entre dietas. / In situ studies are general carried out with a few number of animals and there are few trials that inquire the impact of animal variability on these results. The aim of this study was to investigate the effect of animal population variability on fractional disappearance rate (kd) of DM, NDF, ADF and cellulose (CEL). Experiment using thirty ruminally canullated Nellore bulls (372 ± 16.02 kg BW) was carried over. In phase 1, all animals received 100% Coast-cross hay with mineral mix ad libitum. In period 2, all animals received a diet containing 88% sugarcane bagasse, 8% soybean meal, 2.8% mineral mix and 1.2% urea (DM basis). In both trials, representative samples of Coast-cross hay (CCH - 7.31% CP, 78.24% NDF, 40.92% ADF), sugarcane bagasse (BAG - 3.04% CP, 90.31% NDF, 69.36% ADF) and Tifton-85 hay (TH - 13.32% CP, 73.27% NDF, 39.29% ADF) were incubated in polyamide-bags (10 cm × 20 cm; 30 ± 10 &mu;m pore size) for 0, 12, 24, 48, 72, and 144 h. Bags were suspended in the rumen ventral sac before at feeding in reverse order and removed simultaneously at time zero. Residual DM, NDF, ADF, and lignin were determined by wet chemistry. Cellulose (CEL) was calculated as ADF minus lignin. Ruminal degradation kinetics of DM, NDF, ADF, and CEL were calculated using a nonlinear model Y(t) = a + b (1 - e(-kd × t) ); where t >= 0. Feeding behavior parameters (eating, ruminating, water drinking and idling) were recorded every 10 minutes during 24 h. Principal component analysis was used to determine correlation of variables among substrates. Factorial Analysis was used to characterize animal population (P<0.05), Cluster with Multivariate Contrasts (P<0.01) to analyze differences in kd groups and Multivariate Canonical correlation analysis (P<0.05) to correlate kd with feeding behavior parameters. A simulation with number of animals was done against coefficient of variation (CV) to determinate optimum number of animals in an in situ assay. The kd (average) of DM, NDF, ADF, and CEL were: 3.26, 3.29, 3.44 and 3.54 for CCH; 3.74, 3.88, 4.07 and 4.49 for TH; and 2.67, 2.68, 2.58 and 2.65 for BAG, respectively. There was no correlation among substrates in both periods. Were found three groups of kd for CCH and TH (high, medium and low) and four groups for BAG (high, medium-high, medium, and low). CV is not adequate to measure experimental precision, instead it, variation index is indicated (VI). In both incubations phases, there was no relationship between feeding behavior and kd, for all incubated forages sources. The kd correlations among substrates between two incubation phases were different, indicating influence of the diet on kd. Variability investigation and VI parameter indicate that the number of animals necessary in these trials is affected by the substrate incubated. However, the variability investigation suggests that probably different animals compose this number.

O presente trabalho teve como objetivo avaliar o uso combinado de processos de separação, visando a adequação do substrato rico em xilose (hidrolisado de bagaço de cana) para a obtenção de produtos por via fermentativa. Foram estudados processos como coagulação e precipitação seletiva de impurezas coloidais, separação com membranas de microfiltração e ultrafiltração e resinas de troca iônica, tendo como ponto de partida o hidrolisado concentrado 5,56 vezes (hidrolisado H1). Na avaliação dos ensaios de coagulação e precipitação foi utilizado planejamento fatorial fracionado, o qual auxiliou o estudo da performance de agentes coagulantes (policloreto de alumínio e polieletrólito aniônico), em diferentes concentrações, pHs e temperaturas. Como variável resposta foi determinado a redução de compostos fenólicos, resultando numa diminuição final de 32,67% e num modelo matemático que representa os parâmetros envolvidos no processo:[C. Fenólicos] = 13,82 + 4,54xpH + 0,03xPAC - 0,58xpH2 + 0,19xPAC2 - 0,25xpHxPAC. Após a determinação das melhores condições experimentais desta etapa, aplicou-se este modelo numa escala 36 vezes maior, resultando em uma diminuição de 10,49% destes contaminantes, produzindo o hidrolisado H2. Este hidrolisado foi percolado por resinas, e assim, determinou-se a série de resinas de troca iônica mais eficiente (série I: Amberlyst 15Wet, Amberlite FPA98, Amberlite 252Na e Amberlite IRA96). Esta etapa proporcionou uma redução de 96,29% no índice de cor, 98,72% dos compostos fenólicos, 74,19% do hidroximetilfurfural, 55,56% de furfural e 52,03% de ácido acético, utilizando um volume de leito de 20 mL, por coluna de resina. O hidrolisado H2, também, foi utilizado para a determinação do melhor modo de permeação por membranas de separação. Neste caso, optou-se em utilizar somente a membrana de ultrafiltração. A permeação do hidrolisado H2 por esta membrana resultou no hidrolisado H3, e em reduções de 12,50% de ácido acético, 33,00% de compostos fenólicos e 54,29% no índice de cor. Assim, o hidrolisado H3 foi percolado pela série de resinas mais eficiente, obtendo ao final uma diminuição de 63,29% do ácido acético, 75,86% de furfural, 77,78% de hidroximetilfurfural e 88,09% dos compostos fenólicos, promovendo uma redução de 90,90% no índice de cor. A seguir, o hidrolisado purificado foi submetido a fermentações para a produção de xilitol e etanol. Essas bioconversões foram aptas a produzir 0,250g/L.h de xilitol e 0,265g/L.h de etanol além de apresentarem rendimentos de 0,68g/g de xilitol por xilose consumida e 0,30g/g de etanol por xilose consumida. Estes resultados indicam a boa fermentabilidade do hidrolisado tratado pelo processo combinado proposto. / This study evaluated the combined use of separation processes, seeking the adequacy of the substrate rich in xylose (hydrolysate of sugar cane bagasse) in the attainment of products from fermentative processes. During this research processes as coagulation and precipitation of selective colloidal impurities, microfiltration and ultrafiltration membranes separations and ion exchange resins were studied, taking as its starting point a hydrolysate concentrate 5.56 times (hydrolysate H1). During the tests of coagulation and precipitation a fraction factorial design was applied, which helped the study of coagulating agents performance (aluminum polychloride and anionic polyelectrolyte) in different concentrations, pH and temperatures. The response variable utilized was phenolic compounds reduction resulting in a drop of 32.67% and the mathematical model that represents the parameters involved in the process was: [C. Fenólicos] = 13.82 + 4.54 xpH + 0.03 xPAC - 0.58 xpH2 + 0.19 xPAC2 - 0.25 xpHxPAC. After determining the best experimental conditions of this step, this model was applied on a scale 36 times greater resulting in a decrease of 10.49% on contaminants, producing the hydrolysate H2. This hydrolysate was percolated through resins and determined the sequence of ion exchange resins more efficient; Serie I (Amberlyst 15Wet, Amberlite FPA98, Amberlite 252Na and Amberlite IRA96). This step reduced 96.29% in the index of color, 98.72% of phenolic compounds, 74.19% of hydroxymethylfurfural, 55.56% of furfural and 52.03% acetic acid, using a bed volume of 20 mL for each resin column. The hydrolysate H2 also was used to determine the best way of membranes permeation. In this case, opted to use only the ultrafiltration membrane. The permeation of the hydrolysate H2 through membrane resulted the hydrolysate H3, and showed reductions of 12.50%, 33.00% and 54.29% in acetic acid, phenolic compounds and index of color, respectively. Thus, the hydrolysate H3 was percolated through the resins series more efficient, obtaining a decrease of 63.29% of acetic acid, 75.86% of furfural, 77.78% of hydroxymethylfurfural and 88.09% of phenolic compounds, promoting a reduction of 90.90% in the index of color on the finish treatment. So this hydrolysate purified was subjected to fermentations for the production of xylitol and ethanol. These bioconversions were able to produce 0.250 g/L.h of xylitol and 0.265g/L.h of ethanol and showed xylitol yield from xylose of 0.68g/g and ethanol yield from xilose of 0.30g/g in ethanol. Theses results indicate the good fermentability of the hydrolysate treated by proposed combined process.