O fungo filamentoso Trichoderma reesei é um dos principais fungos utilizados para a produção em larga escala de enzimas devido a sua grande capacidade de produção e secreção de holocelulases para aplicação em processos de sacarificação da biomassa vegetal lignocelulósica. Embora o T. reesei seja utilizado como um dos principais produtores de celulases a nível industrial, diversos processos e estudos são realizados com o objetivo de aprimorar o entendimento de todo o mecanismo de degradação de biomassa vegetal além de prover o aumento da eficiência tanto da produção quanto da atividade das celulases. No presente trabalho foi realizado a construção de uma linhagem mutante para o gene cel74a (codificando para uma xiloglucanase) e a caracterização funcional de CEL74A na regulação gênica de holocelulases durante o cultivo em bagaço de cana-de-açúcar. Os nossos resultados mostraram que deleção de cel74a possivelmente pode estar envolvida no sinergismo da regulação da expressão de holocelulases durante o cultivo em bagaço de cana-de-açúcar. A partir da análise do perfil de expressão gênica, foi possível observar a redução na expressão de todos os genes de celulases testados (cel7a, cel7b e cel6a) embora não tenha afetado a atividade enzimática, ao passo que as hemicelulases (xyn1 e xyn2) apresentaram aumento tanto na expressão quanto na atividade enzimática. Na linhagem ?cel74a, foi observado redução na liberação de glicose, xilose e galactose após a hidrólise de xiloglucano. Além disso, a atividade de CEL74A foi modulada na presença de cálcio e pode ser necessária para a atuação mais eficiente de outras enzimas envolvidas na degradação de xiloglucano. Desta forma, em T. reesei, CEL74A apresenta um papel importante tanto na regulação de genes holocelulolíticos quanto para a degradação eficiente de bagaço de cana-de-açúcar, contribuindo para a elucidação de mecanismos pelos quais este fungo utiliza para a utilização do bagaço de cana-de-açúcar como fonte de carbono / The filamentous fungus Trichoderma reesei is one of the main fungi used for the large-scale production of enzymes due to their great capacity of production and secretion of holocellulases for application in saccharification processes of lignocellulosic plant biomass. Although T. reesei is used as one of the main producers of cellulases at industrial level, several processes and studies are carried out with the aim of improving the understanding of the whole plant biomass degradation mechanism, as well as increasing the efficiency of both the production and cellulase activity. In the present work the construction of a mutant lineage for the cel74a gene (coding for a xyloglucanase) and the functional characterization of CEL74A in the gene regulation of holocellulases during the cultivation of sugarcane bagasse were carried out. Our results showed that deletion of cel74a may be involved in the regulation of holocellulase expression during sugarcane bagasse cultivation. From the analysis of the gene expression profile, it was possible to observe the reduction in the expression of all tested cellulase genes (cel7a, cel7b and cel6a), although it did not affect the enzymatic activity, whereas the hemicellulases (xyn1 and xyn2) presented increase in both expression and enzymatic activity. In the ?cel74a strain, a reduction in glucose, xylose and galactose release was observed after xyloglucan hydrolysis. In addition, the activity of CEL74A was modulated in the presence of calcium and may be required for the more efficient performance of other enzymes involved in the degradation of xyloglucan. Thus, in T. reesei, CEL74A plays an important role both in the regulation of holocellulolytic genes and in the efficient degradation of sugarcane bagasse, contributing to the elucidation of mechanisms by which this fungus uses for the use of sugarcane bagasse as source of carbon

O presente trabalho teve como objetivo avaliar a fermentabilidade do hidrolisado enzimático do bagaço de cana pré-tratado com sulfito alcalino, visando a produção de etanol por leveduras. Inicialmente, o bagaço de cana foi pré-tratado com sulfito alcalino para remover parcialmente a lignina e alterar a estrutura da celulose e hemicelulose. Os efeitos deste pré-tratamento foram avaliados em termos da composição química dos materiais obtidos: um material lavado (BPL) e outro não lavado (BPNL) após tratamento. A digestibilidade enzimática dos materiais obtidos foi testada empregando dois extratos enzimáticos comercias e 3 cargas de enzimas, de acordo com um planejamento experimental 22. A partir destes resultados foi selecionado o extrato Cellubrix suplementado com ?-glicosidase na carga de 18 FPU/g de biomassa, e nesta condição os rendimentos de conversão de celulose e xilana foram cerca de 70% e 65%, respectivamente. Os hidrolisados enzimáticos do BPL e BPNL porém suplementados com nutrientes (2,0 g/L de (NH4)2SO4, 1,0 g/L de KH2PO4, 0,3 g/L de MgSO4.7H2O, 5,0 g/L de extrato de levedura), e avaliados quanto a produção de etanol por K. marxianus Y-6860 a 40°C. Os resultados mostraram que a levedura produziu etanol apenas a partir de glicose, e os parâmetros fermentativos obtidos com o hidrolisado BPNL QP = 3,7 g/L.h e YP/S = 0,40 g/g foram 20 e 5%, respectivamente superior ao BPL. O hidrolisado enzimático do BPNL foi então selecionado, para avaliar o efeito da suplementação nutricional nos parâmetros fermentativos da levedura K. marxianus Y-6860, em três temperaturas diferentes (30, 35 e 40°C) de acordo com um planejamento experimental 22. Para efeito de comparação, foi também avaliada a fermentabilidade do hidrolisado BPNL pelas leveduras S. cerevisiae PE-2 e S. stipitis Y-7124. Os resultados mostraram que para as três leveduras estudadas, os valores dos parâmetros fermentativos, foram favorecidos a 30 °C na presença nutrientes. Nesta condição, as leveduras apresentaram valores de YP/S similares (~ 0,48 g/g), em quanto que o QP foi de 3,25; 2,17 e 0,95 g/L.h para K. marxianus, S. cerevisiae e S. stipitis, respectivamente. Ressalta-se ainda que nesta condição, a S. stipitis Y-7124 foi a única levedura, capaz de consumir completamente ambos os açúcares (glicose + xilose) e produzir uma concentração de etanol 46% maior comparado as outras leveduras. Foi avaliado também a fermentabilidade das três leveduras no hidrolisado enzimático BPNL com alta concentração de glicose (100 g/L), nas condições anteriormente selecionadas. Os resultados mostraram que, as três leveduras apresentaram potencial para produção de etanol a partir da glicose, com uma eficiência de conversão de etanol superior a 70%, no entanto deveriam se implementar estratégias para estimular o consumo de xilose. Com os resultados do presente trabalho se pode concluir que o hidrolisado enzimático do bagaço de cana pré-tratado com sulfito alcalino suplementado com nutrientes, é um meio com grande potencial para a produção de etanol com características favoráveis para ser eficientemente fermentado por diferentes espécies de leveduras. / The present work had the objective to evaluate the fermentability of the enzymatic hydrolyzate of sugar cane bagasse pre-treated with alkali sulfite process, aiming the ethanol production by yeasts. Initially, sugarcane bagasse was pretreated with alkaline sulfite process to remove lignin partially. The effects of this pre-treatment, were evaluated in the chemical composition of the materials: one material washed after treatment (WB) and another unwashed material (UWB). The enzymatic digestibility of the obtained materials was tested using two commercial enzymatic extracts and three enzyme loads according to an experimental design 22. From these results, the Cellubrix extract supplemented with ?-glucosidase, was selected in the load of 18 FPU/g of biomass, in this condition the cellulose and xylan conversion yields were about 70% and 65%, respectively. The enzymatic hydrolysates of WB and UWB supplemented with nutrients (2,0 g/L (NH4)2 SO4, 1,0 g/L KH2 PO4, 0,3 g/L MgSO4 .7H2O, 5,0 g/L yeast extract), were evaluated for ethanol production by K. marxianus Y-6860 at 40°C. The results showed that the yeast produced ethanol only from glucose, and the fermentative parameters obtained with the UWB hydrolyzate QP= 3,7 g/L.h and YP/S= 0,40 g/g, were 20 and 5% respectively higher to WB. The UWB hydrolyzate, was selected to evaluate the effect of nutritional supplementation, in the fermentative parameters of K. marxianus, at three different temperatures (30, 35 and 40°C) according to an experimental design 22. For comparison, were also evaluated fermentability of S. cerevisiae PE-2 and S. stipitis Y-7124 in the hydrolyzate. In the three yeasts, the results showed that the values of the fermentative parameters, are favored when the hydrolyzate is supplemented with nutrients to 30°C. In this condition , yeasts showed similar YP/S value (~0,48 g/g), whereas the QP was of 3,25; 2,17 and 0,95 g/L.h for K. marxianus, S. cerevisiae and S. stipitis, respectively. It is also worth noting that in this condition S. stipitis was the only yeast able to completely consume both sugars (glucose+xylose) and produce a concentration of ethanol of 46% higher than other yeasts. In the previously selected condition, the fermentability of the hydrolyzate with high glucose concentration (100 g/L) was also evaluated. The results showed that the three yeasts presented potential for the production of ethanol from glucose, with an ethanol efficiency of over 70%, however strategies should be implemented to stimulate the consumption of xylose. With the results of the present work it can be concluded that the enzymatic hydrolyzate of sugar cane bagasse pretreated with alkaline sulfite process supplemented with nutrients is a medium with great potential for the production of ethanol with characteristics favorable to be efficiently fermented by different species of yeasts.

Uma tecnologia para o fracionamento de materiais lignocelulósicos, baseada no uso de solventes apropriados, foi proposta para separar os principais componentes (celulose, hemicelulose e lignina). De acordo com a técnica, é adicionado ao material um solvente para celulose (ácido fosfórico concentrado); então, acetona é adicionada para promover a precipitação da celulose na forma amorfa. As etapas subsequentes são as seguintes: uma primeira extração com acetona para remover a lignina; e uma segunda extração com água, para remover a hemicelulose. Estudos aplicando o fracionamento, denominado \"COSLIF\" (\"cellulose solvent and organic solvent based lignocellulose fractionation\"), em diferentes materiais demonstraram altas taxas e rendimentos de hidrólise da celulose em presença de baixas cargas enzimáticas. Neste contexto, o objetivo do trabalho foi definir condições apropriadas para fracionar o bagaço de cana-de-açúcar usando o fracionamento COSLIF, com vistas à produção de etanol de 2ª geração. Para otimização das condições de fracionamento, foi realizado um planejamento fatorial 25, com as seguintes variáveis: concentração de ácido fosfórico (81-85 %), temperatura (40-60 ºC), tempo (30-120 min), volume de acetona (80-120 mL) e volume de água (120-160 mL), determinando, a partir da composição das frações geradas, parâmetros relacionados à recuperação e seletividade do fracionamento. Apesar de grande variabilidade experimental, conseguiu-se definir a condição ótima por meio de análise estatística, para o fracionamento de 1 g de bagaço (massa seca): ácido fosfórico (83,8 %), temperatura (45,8 ºC), tempo (56,1 min), volume de acetona (91,6 mL) e volume de água (131,6 mL). Esta condição, reproduzida em escala ampliada, foi eficaz na amorfização da celulose e na separação da hemicelulose no extrato aquoso. O rendimento global (RG + X (S + L)) obtido foi de 87,1%; o rendimento de recuperação de glucana na fração sólida (RG(S)) foi de 84,6%; e o rendimento de recuperação de xilana na fração líquida (RX(L)) foi de 61,0%. Em relação à seletividade de recuperação de glucana na fração sólida (SG(S)) foi obtido 95,3%; e à seletividade de recuperação de xilana na fração líquida (SX(L)), foi obtido 72,7%. A análise estrutural da fração sólida, por meio de difração de raios-X e termoporometria, demonstrou que a tecnologia consegue romper a estrutura do material, diminuindo a cristalinidade e aumentando a porosidade. O índice de cristalinidade, que no bagaço \"in natura\" era de 44%, foi reduzido para 0; a área superficial cumulativa para moléculas com diâmetros de até 10 nm, que no bagaço \"in natura\", era de 43 m2/g, foi aumentada para 166 m2/g. Aliada à remoção de hemicelulose, tais alterações proporcionaram elevada eficiência de sacarificação da glucana em glicose; 93%, em 24 horas de hidrólise. O hidrolisado enzimático foi fermentado por Scheffersomyces stipitis, com produção de 10,5 g/L de etanol em 48 horas de fermentação; o rendimento de conversão de glicose em etanol (YP/S) foi de 0,36 g/g, com produtividade volumétrica (QP) de 0,22 g/Lh. / A technology for fractionating lignocellulosic materials, based on the use of suitable solvents, was proposed to separate the main components (cellulose, hemicellulose and lignin). According to the technique, a solvent for cellulose (concentrated phosphoric acid) is added to the material, then, acetone is added to promote precipitation of the cellulose in an amorphous form. The subsequent steps are as follows: a first extraction with acetone, to remove lignin, and a second extraction with water, to remove hemicellulose. Studies applying the fractionation, called \"COSLIF\" (\"cellulose solvent and organic solvent based lignocellulose fractionation\"), to different materials demonstrated the high rates and yields of cellulose hydrolysis in the presence of low enzymes loadings. In this context, the objective of the present study was to define appropriate conditions to fractionate the sugarcane bagasse of using the COSLIF procedure, aiming the production of 2nd generation ethanol. To optimize the conditions of fractionation, we performed a 25 factorial design, with the following variables: concentration of phosphoric acid (81-85%), temperature (40-60° C), time (30-120 min), volume of acetone (80-120 mL) and volume of water (120-160 mL), determining, from the composition of the generated fractions, the parameters of recovery and selectivity. Despite of high experimental variability, it was possible to define optimum condition, by means of statistical analysis, for the fractionation of 1 g of bagasse (dry weight): phosphoric acid (83,8%), temperature (45,8° C), time (56,1 min), volume of acetone (91,6 mL) and volume of water (131,6 mL). This condition, reproduced at a larger scale, was effective in the amorphization of cellulose and in the separation of hemicellulose in the aqueous extract. The overall yield (RG + X (S + L)) was 87,1%. The recovery yield of glucan in the solid fraction (GR (S)) was 84,6%, and the recovery yield of xylan in the liquid fraction (RX (L)) was 61,0%. The selectivity of glucan recovery in the solid fraction (SG (S)) was 95,3%, the selectivity of xylan recovery in the liquid fraction (SX (G)) was 72,7%. The structural analysis of the solid fraction, by means of X-ray diffraction and thermoporometry, demonstrated that the technology can disrupt the structure of the material, decreasing the crystallinity and increasing the porosity. The index of crystallinity, which in the \"in natura\" bagasse was 44%, was reduced to 0, the surface area cumulative to molecules with diameters up to 10 nm, which in the \"in natura\" bagasse was 43 m2/g, was increased to 166 m2/g. Coupled with the removal of hemicellulose, such changes provided high efficiency of saccharification of glucan into glucose, 93% in 24 hours of hydrolysis. The enzymatic hydrolyzate was fermented by Scheffersomyces stipitis, producing 10,5 g/L ethanol in 48 hours of fermentation, the conversion efficiency of glucose into ethanol (YP/S) was 0,36 g/g, and the volumetric productivity (QP) was 0,22 g/Lhr.

O presente estudo teve como objetivo avaliar a conversão dos açúcares do bagaço de cana em etanol, com foco na integração entre o pré-tratamento com H2SO4 diluído, sacarificação com celulases comerciais e fermentação com Scheffersomyces stipitis DSM- 3651, buscando-se uma configuração simplificada. Previamente aos ensaios de integração, o bagaço foi moído para a redução de sua heterogeneidade granulométrica. Após a moagem, o bagaço foi submetido a fracionamento, por fluxo de ar, separando frações de fibras e finos. Estas frações foram submetidas a analise composicional e observou-se que a fração de finos possui elevados teores de cinzas e extrativos, além de baixo teor de lignina em relação à fração de fibras, entretanto a estratégia de fracionamento do bagaço não foi seletiva. Os experimentos de definição da condição de pré-tratamento mais adequada para a avaliação entre integração entre sacarificação e fermentação foram conduzidos em reator Parr (2 gal) com 2Kg de mistura reacional, incluindo bagaço (10%), água e ácido. Três condições operacionais de pré-tratamento foram avaliadas: 140°C/1%H2SO4/20 min, 150°C/2% H2SO4/30 min e 160°C/3% H2SO4/40 min. Após o pré-tratamento, o slurry foi separado em sólido pré-tratado e hidrolisado hemicelulósico, por filtração. Em seguida o bagaço pré-tratado foi lavado exaustivamente com água destilada e submetido à hidrólise enzimática com celulases (10 FPU/g bagaço) por 72h. Paralelamente, o hidrolisado foi submetido à fermentação com S. stipitis (3 g/L) por 120h. As composições das frações geradas após o pré-tratamento (bagaço pré-tratado, hidrolisado e água de lavagem), quanto aos teores de açúcares e sólidos (solúveis e insolúveis) foram determinadas. As três condições de pré-tratamento levaram a remoção completa de hemicelulose do bagaço, e o aumento da severidade do pré-tratamento acarretou em aumento da eficiência de sacarificação dos sólidos pré-tratados, porém em menor recuperação de glicose após hidrólise enzimática. Por outro lado, o aumento da severidade do pré-tratamento prejudicou a recuperação de açúcares no hidrolisado hemicelulósico, elevando concentrações de ácido acético, furfural e HMF, resultando em inibição completa de fermentação daqueles obtidos nas condições de 150°C e 160°C. A conversão do sólido prétratado (lavado ou não-lavado) + hidrolisado (destoxificado ou não), e do slurry completo (destoxificado ou não) ambos obtidos após pré-tratamento à 140°C, foi avaliada em duas configurações, respectivamente: \"Fermentação do hidrolisado hemicelulósico (FHH), em separado da sacarificação do sólido pré-tratado e da fermentação do hidrolisado celulósico, separadas (SHF)\" e \"Sacarificação do sólido pré-tratado, em separado da co-fermentação dos hidrolisados celulósico e hemicelulósico, integradas (ISHCF)\". Na primeira, observouse que a destoxificação do hidrolisado com lacase (1U/mL) aumentou a produção de etanol, e possibilitou a redução do tempo de conversão em 48h. A sacarificação de sólidos não-lavados foi prejudicada pela presença de compostos solúveis e o condicionamento com lacase não influenciou a eficiência de sacarificação. A eficiência máxima de conversão em configuração de SHF+FHH foi de 28,4%, devido a não lavagem do sólido pré-tratado (13,7%) e destoxificação do HH (14,7%). Em ISHCF, observou-se que a eficiência de conversão de slurry integral destoxificado com lacase é mais alta (38,9%) do que em SHF+FHH, devido a não separação sólido-líquido e maior disponibilidade de açúcares. / This study aimed to evaluate the conversion of sugarcane bagasse into ethanol, focusing on integration between pretreatment with dilute H2SO4, saccharification with commercial cellulases and fermentation with Scheffersomyces stipitis DSM-3651, in a simplified design process. Prior to integration assays, the bagasse was milled to reduce its granulometric heterogeneity. After milling, the fractions of bagasse (fiber and pith) were separated by air flow. These fractions had their chemical composition determined and it was observed that pith fraction has higher content of ash, soluble extractives and low lignin content than fiber fraction; however the separation method was not selective. The experiments to define the most suitable pretreatment condition for evaluating the integration between saccharification and fermentation were conducted in a Parr reactor (2 gal) with 2 kg of reaction mixture, including bagasse (10%), water and acid. Three operational conditions of pretreatment were evaluated: 140°C/1% H2SO4/20min, 150°C/ 2% H2SO4/30 min and 160°C/3% H2SO4/40min. After pretreatment, the slurry was separated in pretreated solid and hemicellulosic hydrolyzate, by filtration. The pretreated solid was thoroughly washed with distilled water and submitted to enzymatic hydrolysis with cellulases (10 FPU / g residue) for 72h. In parallel, the hemicelullosic hydrolyzate was submitted to fermentation with S. stipitis (3 g / L) for 120h. The compositions of the fractions generated after pretreatment (pretreated bagasse, hemicellulosic hydrolyzate and washing water), regarding sugars and solids (soluble and insoluble) contents were determined. All pretreatment conditions led to complete removal of hemicellulose from the bagasse, and the increase of pretreatment severity improved the saccharification yield of pretreated solid, but, leaded to low recovery of glucose after enzymatic hydrolysis. On the other hand, the increase of pretreatement severity impaired the recovery of sugars in hemicellulosic hydrolysate besides increasing the concentrations of acetic acid, furfural and HMF, resulting in complete inhibition of fermentation of those obtained under the pretreatement conditions of 150°C and 160°C. The conversion of pretreated solid (washed and non-washed) + hemicellulosic hydrolyzate (with or without detoxification) and of the whole slurry, both obtained at 140°C was evaluated in two process designs, respectively: \"Fermentation of hemicellulosic hydrolyzate (FHH), separated from hydrolysis of pretreated solid and fermentation of cellulosic hydrolyzate, separately (SHF)\" and \"Integrated hydrolysis of pretreated solid separated from co-fermentation of cellulosic and hemicellulosic hydrolysates (ISHCF)\". In the first, it was observed that the detoxification of the hydrolyzate with laccase (1U / ml) improved the ethanol production, particularly for conversion time. The saccharification of non-washed solid was hampered by the presence of soluble compounds and its conditioning treatment with laccase did not influence the saccharification yield. The maximum conversion efficiency in SHF + FHH configuration was 28.4% due to not washing the pretreated solid (13.7%) and detoxification of hemicellulosic hydrolysate (14.7%). In the second process design, it was observed that the conversion efficiency of whole slurry, with laccase detoxification, was higher (38.9%) than in the separate configuration, with a lower conversion time.

A presença de compostos inibidores ao metabolismo de microrganismos é a principal dificuldade encontrada para utilização dos hidrolisados hemicelulósicos para produção de etanol e xilitol. Compostos derivados das degradações da lignina, da celulose e hemicelulose são liberados durante a hidrólise ácida da biomassa. O presente trabalho teve como objetivo avaliar a utilização de diferentes tratamentos de destoxificação de forma combinada, visando a purificação do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar para obtenção de etanol e xilitol. Os tratamentos utilizados foram: coagulação/floculação de impurezas coloidais, separação por membranas de microfiltração e ultrafiltração e resinas de troca iônica, sendo o material de partida foi um hidrolisado de bagaço recém-obtido. O tratamento de coagulação/floculação foi otimizado utilizando planejamento de experimentos do tipo fatorial e na melhor condição promoveu reduções de 53,3% em compostos fenólicos, 34,8% de furfural, 3,7% de HMF, 4,2% de ácido acético e 67,6% da área espectral. Na sequência, o hidrolisado tratado na etapa anterior foi submetido a testes de microfiltração e ultrafiltração. Para esta etapa os melhores resultados foram obtidos utilizando membranas de 100 kDa em polietersulfona. Com este tratamento foi possível reduzir em 11,9% os compostos fenólicos, 23,8% de furfural, 21,5% de HMF e 21,4% de área espectral. Após o tratamento com membranas o hidrolisado foi percolado em resinas de caráter catiônico e aniônico utilizadas em série possibilitando a eliminação de 34,8% de compostos fenólicos, 38,5% de furfural, 74,7% de HMF, 55% de ácido acético e 10,3% da área espectral. Ao final, a combinação de todas as tecnologias de separação estudadas possibilitou remoções maiores que 97% para compostos fenólicos, furfural e HMF o que resultou numa redução da área espectral em 99,3%. O hidrolisado purificado foi concentrado e submetido a testes fermentativos preliminares para produção de etanol e xilitol. Estas bioconversões apresentaram rendimentos de 0,58 g/g em xilitol e 0,29 g/g em etanol por D-xilose consumida, que equivalem a 86% e 83% dos rendimentos obtidos a partir dos meios sintéticos, respectivamente. Estes resultados indicaram que a purificação obtida através do uso combinado da coagulação/floculação, separação por membranas e resinas de troca iônica foram bastante satisfatórios principalmente considerando a fermentabilidade obtida a partir deste substrato em comparação ao meio sintético. / The presence of inhibitory compounds in the metabolism of microorganisms is the main difficulty for the use of hemicellulosic hydrolyzate for ethanol and xylitol production. Compounds derived from lignin, cellulose and hemicellulose degradation are released during the biomass acid hydrolysis. This study aimed to evaluate the use of different detoxification treatments in combination, aimed at purifying the hydrolyzed hemicellulosic sugarcane bagasse. The treatments were: coagulation / flocculation of colloidal impurities, separation by microfiltration and ultrafiltration membrane and ion exchange resins, and the starting material was a newly obtained hydrolyzed bagasse. The treatment of coagulation / flocculation was optimized using factorial experiments design of the kind that in the best condition promoted reductions of 53.3%, 34.8%, 3.7%, 4.2% and 67.6% in phenolic compounds, furfural, hydroxymethylfurfural, acid acetic acid and spectral area, respectively. Next, the hydrolyzate treated in the previous step was tested for microfiltration and ultrafiltration. For this step the best results were obtained using a 100 kDa membrane in polyethersulfone. With this treatment were obtaneid reduction of 11.9%, 23.8%, 21.5%, 21.4% in phenolic compunds, furfural, hydroxymethylfurfural and spectral area, respectively. After membrane treatment the hydrolyzate was percolated through resins with anionic and cationic character used in series enabling the elimination of 34.8%, 38.5%, 74.7%, 55% and 10.3% of phenolic compounds, furfural, hydroxymethylfurfural, acetic acid and spectral area, respectively. At the end, the combination of all separation technologies studied was able to remove greater than 97% of phenolic compounds, furfural and hydroxymethylfurfural which resulted in a reduction of 99.3% in spectral area. The purified hydrolyzate was concentrated and subjected to preliminary fermentative testing for the ethanol and xylitol production. These bioconversions had income of 0.58 g/g in xylitol and 0.29 g/g in ethanol by D-xylose consumed, equivalent to 86% and 83% of ethanol and xylitol yield obtained from the synthetic medium, respectively. These results indicated that the purification achieved through the combined use of coagulation/flocculation, membrane separation and íon exchange resins were very satisfactory, especially considering the fermentability obtained from this substrate compared to the synthetic medium.

Inúmeros trabalhos da literatura científica mostram que a remoção parcial de lignina é útil para facilitar o processo de sacarificação enzimática de materiais lignocelulósicos. No entanto, a maioria dos processos de deslignificação aplica condições severas de reação e apresenta custos elevados de processo. Uma alternativa aos processos mais severos de deslignificação envolve a aplicação de sistemas biomiméticos. Estes sistemas demandam condições amenas de reação, compatíveis com a etapa de hidrólise enzimática, porém geralmente são mais lentos e menos eficientes do que os pré-tratamentos químicos e quimiotermomecânicos convencionais. Ponderando estes fatos, o objetivo desta tese foi estudar a aplicação de sistemas oxidativos e biomiméticos na deslignificação de materiais lignocelulósicos prévios a uma etapa de hidrólise enzimática da fração polissacarídica. A estratégia de trabalho consistiu em pré-tratar bagaço de cana (foram empregados 3 cultivares diferentes de cana no presente estudo) com um processo quimiotermomecânico (CTM) em condições amenas de reação (5,0% de Na2SO3 e 2,5% de NaOH) seguido de um tratamento biomimético oxidativo. Esta abordagem visou gerar um material parcialmente deslignificado que pudesse ter a recalcitrância significativamente diminuída pela aplicação de um processo biomimético. Um segundo pré-tratamento foi aplicado em condições mais severas de reação (10% de Na2SO3 e 5,0% de NaOH) e visou gerar um material de referência, com baixa recalcitrância. Os sistemas biomiméticos empregados tiveram origem nos processos naturais de biodegradação de madeira por fungos de decomposição branca e parda e envolveram a ação de: a) Manganês peroxidase, Lacase, ferro e Oxigênio; b) reação de Fenton mediada por quelantes. Estes sistemas foram suplementados ou não com ácidos graxos insaturados, visando gerar radicais organoperoxila no caso dos sistemas suplementados. As reações de Fenton mediadas por quelantes apresentaram emissão de quimiluminescência, o que permitiu otimizar o sistema reacional com base na máxima quimiluminescência obtida. A remoção de lignina obtida com o pré-tratamento CTM variou de acordo com a carga de sulfito alcalino empregada, sendo que para as severidades baixa e alta, a remoção de lignina atingiu 26% e 54%, respectivamente. Os sistemas biomiméticos aplicados no bagaço de cana, após pré-tratamento com sulfito alcalino na condição branda, produziram graus de deslignificação variáveis, sendo que as principais remoções de lignina foram obtidas com o tratamento de Fenton mediado por quelantes e com Oxigênio, atingindo remoções acumuladas de lignina de 44% e 62%, respectivamente. Em todos os casos avaliados, a remoção adicional de lignina promoveu maiores eficiências de conversão enzimática das frações polissacarídicas residuais. A maior conversão de celulose e hemicelulose (acima de 80%) foi obtida com o tratamento Fenton mediado por quelantes aplicado sobre um cultivar de cana de açúcar que apresentava elevado teor de ácidos hidroxicinâmicos, sugerindo uma ação eficiente destes sistemas para a remoção destes ácidos hidroxicinâmicos. / The current scientific literature shows that lignin removal can facilitates subsequent processes of enzymatic saccharification of lignocellulosic materials. However, most of the delignification processes use severe reaction conditions and present high process costs. One alternative for the severe delignification processes includes the use of biomimetic systems. These systems can be applied under mild reaction conditions, which are compatible with the enzymatic hydrolysis step. Nevertheless, biomimetic systems usually present low reaction rates and are less efficient than the more severe chemical and chemithermomechancial processes. Weighing these facts, the main subject of the current PhD thesis was to study oxidative-biomimetic systems suitable for delignification of lignocellulosic materials as a previous step to the enzymatic hydrolysis of the polysaccharide fraction. The experimental approach involved the pretreatment of sugar cane bagasse (three different sugar cane cultivars were evaluated) by a chemithermomechanical (CTM) process under mild reaction conditions (5% of Na2SO3 and 2.5% NaOH), followed by an oxidative-biomimetic system. This approach aimed to prepare a partially delignified material suitable to be treated by the subsequent biomimetic systems, providing significant changes in the material recalcitrance. A second pretreatment under more severe reaction conditions (10% Na2SO3 and 5% NaOH) was performed to prepare a reference material with low recalcitrance. The biomimetic systems used in the current work were based on natural wood decay processes involving white- and brown-rot fungi, and include the actions of: a) Manganese peroxidase, Laccase, Iron íons and Oxygen; b) Chelator Mediated Fenton reactions (CMF). This reaction systems used (or not) the presence of unsaturated fatty acids to induce formation of organoperoxyl radicals. The CMF reactions presented chemiluminescence, which enabled the reaction optimization with basis on maximal chemiluminescence. The lignin removal during the CTM pretreatment varied according to the alkaline-sulfite load used in the reaction. The delignification increased with increased alkaline-sulfite loads reaching 26% and 54% for the less severe and more severe reaction conditions, respectively. Biomimetic systems applied over the mild-pretreated sugar cane bagasse produced varied delignification levels, reaching maximal values for cumulative lignin removal of 44% and 62% for the CMF and Oxigen, respectively. In all cases, the supplementary removal of lignin resulted in more efficient enzymatic hydrolysis of the polysaccharide fraction. The highest cellulose and hemicellulose conversions (over 80%) was obtained with the CMF system applied on a sugar cane cultivar that contained high hydroxycinnamic acids contents, suggesting an efficient action of CMF systems for hydroxycinnamic acids removal.

No Brasil, vários grupos de pesquisa vêm se empenhando em desenvolver estratégias que visam ao aproveitamento da biomassa vegetal, principalmente biomassa de cana-de-açúcar, para a produção de etanol de segunda geração (2G), o que coloca o País numa posição de destaque no cenário internacional, na busca por alternativas para a produção de energia de forma sustentável e economicamente competitiva. Dentro deste contexto, este trabalho avaliou a obtenção de etanol 2G a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar pela levedura Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124, pela determinação das melhores condições de suplementação do meio de cultivo e das condições operacionais em processo descontínuo e descontínuo alimentado. Na etapa de estabelecimento da suplementação do meio de cultivo foi empregado um planejamento experimental fracionado 29-5 com três repetições no ponto central e um planejamento de mistura. As melhores condições foram (2,0 g/L) extrato de levedura, (0,5 g/L) fosfato de potássio, (0,5 g/L) peptona, (0,5 g/L) sulfato de magnésio e (0,01 g/L) sulfato de zinco. Quanto ao estabelecimento das condições operacionais pHinicial, agitação e vazão de ar em biorreator, utilizou-se um planejamento central composto rotacional com três repetições no ponto central. As melhores condições encontradas foram pHinicial 6,0, agitação 225 rpm e aeração 0,45 vvm obtendo-se um fator de conversão em etanol (YP/S) de 0,23 g/g e produtividade (QP) de 0,18 g/L/h. Posteriormente foram realizados processos de fermentação descontínua e descontínua alimentada empregando-se as melhores condições definidas. No processo descontínuo, observou-se a produção de 9,94 g/L de etanol, correspondendo a valores de QP de 0,28 g/L/h, enquanto a utilização do processo descontínuo alimentado resultou em favorecimento de 37,3%, 75% nos valores de etanol formado (13,75 g/L), QP (0,49 g/L/h), respectivamente. Os resultados indicaram que um meio de cultivo suplementado com adição de poucos nutrientes aliado ao emprego de fermentação em modo descontínuo alimentado é uma estratégia promissora para a produção de etanol 2G a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana. / In Brazil, research groups have been striving to develop strategies aimed at the use of plant biomass, and second generation ethanol has made the country a leader in this area. Energy and sustainability solutions are key to making this technology more competitive to meet the growing demand for biofuels. In this work, the acquisition of 2G ethanol from sugarcane hemicellulose hydrolyzate in culture medium optimized by Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 yeast residue was evaluated. Simple batch and fed batch operational conditions were evaluated for use in bioprocesses. Experiments were performed in Erlenmeyer flasks with medium containing sugarcane bagasse hemicellulose hydrolyzate, which was detoxified using the yeast Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124, in order to optimize the culture medium according to a fractional factorial design of 29-5, with three repetitions at the midpoint, and a mix plan. The best optimized conditions were yeast extract (2.0 g/L), potassium phosphate (0.5 g/L), peptone (0.5 g/L), magnesium sulfate (0.5 g/L) and zinc sulfate (0.01 g/L). Soon after, pHinicial variables, agitation, and air flow rate were optimized in the bioreactor using a central composite rotational design with three repetitions at the midpoint. The best conditions were found with pHinicial at 6.0, agitation at 225 rpm and aeration at 0.45 vvm, which obtained a YP/S of 0.23 g/g and a QP of 0.18 g/L/h. The performance of Scheffersomyces stipitis yeast in a discontinuous fed-batch process with optimized conditions were also evaluated. In the process, the simple batch reached a 9.94 g/L ethanol production a QP of 0.28 g/L/h. While yeast performance in the fed-batch process was resulted in improvement 37.3%, 75% ethanol formed values (13.75 g/L), and productivity (0.49 g/L/h), respectively. The results indicated that the culture medium supplemented with addition of a few nutrients together with the use of fermentation in fed-batch is a promising for the production of 2G ethanol from sugarcane bagasse hemicellulose hydrolysate.

Ameaças na sustentabilidade do desenvolvimento mundial em consideração ao aquecimento global, a dependência energética e a demanda exponencial pela produção de alimentos têm levado ao crescente interesse por fontes alternativas renováveis de energia como a biomassa vegetal. Neste cenário, a viabilização do etanol sem competição por terra cultivável a partir do bagaço de cana-de-açúcar (BC) pela rota enzimática é peça chave para a produção integrada e sustentável dos biocombustíveis visando otimização de recursos, redução de resíduos e minimização de impactos ambientais negativos. Entretanto, a sua comercialização precisa ser ainda consolidada através da economicidade nos insumos de hidrólise (enzimas celulases) e de uma maior eficiência na etapa de pré-tratamento da lignocelulose. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo contribuir na redução dos custos de produção celulases utilizando um resíduo característico da indústria brasileira, o BC, para produção de celulases específicas através da tecnologia de fermentação em estado sólido com o microorganismo Aspergillus niger. A proposta desenvolvida consiste em bioprocesso com pré-tratamento hidrotérmico do BC condizente a seu uso como substrato fermentativo, complementação deste substrato com 35% de farelo de soja e meio de suplementação com acréscimo de protéicas, umidade de fermentação de 80% e uso de circulação forçada em bioreator de coluna instrumentado visando o balanço hídrico e térmico do processo. As celulases específicas assim produzidas exibiram atividades de FPase: 0,045; CMCase: 1,10; xilanase: 9,17 e \'beta\'-glicosidase:0,33 UI/mL, e sua ação sinérgica sobre o BC explodido resultou na conversão em açúcares redutores de 15% após 22 horas de hidrólise. A direta aplicabilidade e especificidade do coquetel enzimático produzido mostram a proposta do bioprocesso como uma tecnologia de elevado potencial de integração no modelo de produção de etanol celulósico, anexo a uma usina convencional. Esta alternativa de desenvolvimento a maior escala indica uma oportunidade nacional para o crescimento sustentável na produção de bioetanol e a expansão das vantagens associadas com o uso de biocombustíveis no âmbito mundial. / Threats to sustainability of world development in regards to global warming, energy dependence and the exponential demand for food production have led to growing interest in alternative renewable sources of energy such as biomass. In this context, the viability of ethanol from sugar cane bagasse cane (SCB) by enzymatic pathway, without competition for farmland, is the key for sustainable and integrated biofuels production aiming to optimize resources, waste reduction and negative environmental impacts minimization. However, its commercialization needs to be further consolidated through the economy of hydrolysis enzymes (cellulases) and efficiency improvements in lignocellulosic pre-treatment. Thus, this study aimed to contribute for the reduction of costs in cellulases production using a traditional brazilian industrial waste, the SCB, in order to obtain specific cellulases with the microorganism Aspergillus niger by solid state fermentation. The proposal of bioprocess developed consists of SCB hydrothermal pre-treatment towards to its use as fermentation substrate, complementation of this substrate with 35% of soybean bran and supplementation medium with protein sources addition, moisture fermentation of 80% and use of a column bioreactor instrumented with forced aeration aiming suitable control of water and thermal balance of the process. Thus, specific cellulases produced exhibited activities of FPase = 0.045; CMCase = 1.10; xylanase = 9.17 and -glucosidase = 0.33 IU/mL, and their synergy action over exploded SCB resulted in 15% of reducing sugar conversion after 22 hours of hydrolysis. The direct applicability and specificity of the enzymatic cocktail produced shows the proposed bioprocess as a high potential technology for integration into the production model of cellulosic ethanol, joint to a conventional power plant. This development alternative to larger scale indicates a national opportunity for sustainable growth in bioethanol production and associated benefits expansion with the worldwide use of biofuels.

Este trabalho teve como objetivo o estudo de parâmetros experimentais do fracionamento do bagaço de cana-de-açúcar, tais como o tipo de ácido (H3PO4 1,5 % m/v e H3SO4 1,0 % m/v) empregado como catalisador na etapa de pré-tratamento em reator piloto (350 L) a 120 ºC por 20 min. Avaliou-se também os efeitos de temperatura, tempo, concentração de hidróxido de sódio e relação sólido-líquido, de acordo com um planejamento fatorial completo 24 com três repetições no ponto central, para a etapa de deslignificação alcalina em reator de bancada (2 L) do bagaço de cana-de-açúcar previamente pré-tratado de forma a obter uma fração celulósica com elevadas taxas de conversão enzimática e maior recuperação de lignina no licor negro. As melhores condições experimentais obtidas em reator de bancada para o processo de deslignificação alcalina foram reproduzidas em reator piloto de 350 L, como forma de escalonamento deste processo. As ligninas obtidas foram caracterizadas e a fração celulósica da polpa bruta do bagaço pré-tratado com ácido fosfórico foi submetida à hidrólise enzimática de forma a obter quantidade de hidrolisado suficiente para a realização de um ensaio de fermentação alcoólica, com Saccharomyces cerevisiae Pe-2, em biorreator de 700 mL de volume de trabalho, empregando a tecnologia de reciclo de células. Os resultados mostraram que o pré-tratamento com H3PO4 1,5 % (m/v) removeu 45,5 % de hemicelulose, contra 75,6 % pelo pré-tratamento com H3SO4 1,0 % (m/v). Os fatores concentração de NaOH e relação sólido-líquido apresentaram maior influência do que os fatores tempo e temperatura, no processo de deslignificação alcalina dos bagaços pré-tratados, sendo reproduzidas em escala piloto as condições 120 ºC, 30 min, NaOH 1,5 % (m/v) e relação sólido-líquido 1:15. Estas condições de reação proporcionaram a obtenção de polpas celulósicas com conversão enzimática próxima a 80 %. Análises das polpas celulósicas por difração de raios X comprovam um aumento de cristalinidade da celulose, proporcionada pela remoção de hemicelulose e lignina. Já a análise de termoporometria mostrou um aumento do tamanho dos poros na estrutura da celulose, ao longo do seu processamento. Imagens de microscopia eletrônica de varredura mostram uma maior exposição das fibras celulósicas no bagaço de cana após a deslignificação alcalina. O ensaio de fermentabilidade mostrou que o hidrolisado celulósico foi bem assimilado pela levedura Saccharomyces cerevisiae Pe-2, com a possibilidade da realização de 5 bateladas sucessivas, sendo obtidos valores de 0,45 g/g para YP/S e 5,81 g L-1h-1 para produtividade. As ligninas obtidas apresentaram características muito parecidas entre si com pureza (lignina total) entre 95-97 %, massa molar média entre 9500 e 10200 g mol-1, ponto de transição vítrea entre 140 e 160 ºC, poder calorífico na ordem de 25 MJ/kg, sendo atribuída a razão H:G:S de 1:0,9:1,1 para a lignina (ácido fosfórico) e 1:1,4:1,7 para a lignina (ácido sulfúrico). Pelos resultados de caracterização foram também propostas as fórmulas C9H8,57O2,64 (OCH3)1,00 para a lignina (ácido fosfórico) e C9H9,05O3,19 (OCH3)0,92 para a lignina (ácido sulfúrico). Palavras-chave: Fracionamento do bagaço de cana-de-açúcar. Etanol. Saccharomyces cerevisiae Pe-2. Reciclo de células. Caracterização de ligninas. / This work aimed to the study of experimental parameters of sugarcane bagasse fractionation, such as, the type of acid (H3PO4 1.5 % w/v and H2SO4 1.0 % w/v) employed as catalyst in the pretreatment step carried out in a 350 L pilot reactor at 120 ºC for 20 min. Temperature, time, NaOH concentration and solid to liquid ratio effects were also evaluated according to a 24 full factorial design with three replications in the central point, for the alkaline delignification of pretreated bagasse, carried out in a 2 L reactor, aiming to get cellulosic fraction with high enzymatic conversion rates and greater lignin recovery in black liquor. Scaling up the alkaline delignification process, the best experimental conditions obtained from 2 L reactor were reproduced in 350 L reactor. Lignins obtained were characterized and the cellulosic fraction from bagasse pulp pretreated with H3PO4 was subjected to enzymatic hydrolysis in order to obtain sufficient amount of hydrolysate to conduct an alcoholic fermentation assay with Saccharomyces cerevisiae Pe-2 yeast in a bioreactor with 700 mL working volume, employing the cell recycle technology. The results showed that 45.5 % of hemicellulosic fraction were solubilised by H3PO4 1.5 % w/v pretreatment, versus 75.6 % of hemicellulose that was solubilised by H2SO4 1.0 % w/v. In the alkaline delignification process of pretreated sugarcane bagasse, NaOH concentration and solid to liquid ratio factors had higher influence than the time and temperature factors, with 120 ºC, 30 min, NaOH 1.5 % (w/v) and 1:15 solid to liquid ratio conditions performed in pilot scale. Enzymatic conversion near to 80 % was achieved for cellulosic pulps obtained in these alkaline delignification conditions. X-ray diffraction of cellulosic pulps confirms an increase of cellulose crystallinity, proportioned by hemicellulose and lignin removal. In relation to thermoporometry analysis, an increasing of pore large in cellulose structure was observed, throughout its processing. Scanning electronic microscopy images showed more exposed cellulosic fibers after alkaline delignification. The cellulosic hydrolysate was well assimilated by the Saccharomyces cerevisiae Pe-2 yeast, with the possibility of performing five successive batches, with 0.45 g/g for YP/S and 5.81 g L-1h-1 for productivity, as resulted of fermentation assay. Lignin obtained showed very similar characteristics each other with purity (total lignin) between 95-97 %, average molecular weight between 9500 and 10200 g mol-1, glass transition point between 140 and 160 ºC, calorific value of 25 MJ/kg being attributed H:G:S ratio of 1:0.9:1.1 for lignin (phosphoric acid) and 1:1.4:1.7 ratio for lignin (sulfuric acid). Lignin formulas C9H8.57O2.64 (OCH3)1.00 to lignin (phosphoric acid) and C9H9.05O3.19 (OCH3)0.92 to lignin (sulfuric acid) were also proposed by the characterization results.

No Brasil, vários grupos de pesquisa vêm se empenhando em desenvolver estratégias que visam ao aproveitamento da biomassa vegetal, principalmente biomassa de cana-de-açúcar, para a produção de etanol de segunda geração (2G), o que coloca o País numa posição de destaque no cenário internacional, na busca por alternativas para a produção de energia de forma sustentável e economicamente competitiva. Dentro deste contexto, este trabalho avaliou a obtenção de etanol 2G a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar pela levedura Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124, pela determinação das melhores condições de suplementação do meio de cultivo e das condições operacionais em processo descontínuo e descontínuo alimentado. Na etapa de estabelecimento da suplementação do meio de cultivo foi empregado um planejamento experimental fracionado 29-5 com três repetições no ponto central e um planejamento de mistura. As melhores condições foram (2,0 g/L) extrato de levedura, (0,5 g/L) fosfato de potássio, (0,5 g/L) peptona, (0,5 g/L) sulfato de magnésio e (0,01 g/L) sulfato de zinco. Quanto ao estabelecimento das condições operacionais pHinicial, agitação e vazão de ar em biorreator, utilizou-se um planejamento central composto rotacional com três repetições no ponto central. As melhores condições encontradas foram pHinicial 6,0, agitação 225 rpm e aeração 0,45 vvm obtendo-se um fator de conversão em etanol (YP/S) de 0,23 g/g e produtividade (QP) de 0,18 g/L/h. Posteriormente foram realizados processos de fermentação descontínua e descontínua alimentada empregando-se as melhores condições definidas. No processo descontínuo, observou-se a produção de 9,94 g/L de etanol, correspondendo a valores de QP de 0,28 g/L/h, enquanto a utilização do processo descontínuo alimentado resultou em favorecimento de 37,3%, 75% nos valores de etanol formado (13,75 g/L), QP (0,49 g/L/h), respectivamente. Os resultados indicaram que um meio de cultivo suplementado com adição de poucos nutrientes aliado ao emprego de fermentação em modo descontínuo alimentado é uma estratégia promissora para a produção de etanol 2G a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana. / In Brazil, research groups have been striving to develop strategies aimed at the use of plant biomass, and second generation ethanol has made the country a leader in this area. Energy and sustainability solutions are key to making this technology more competitive to meet the growing demand for biofuels. In this work, the acquisition of 2G ethanol from sugarcane hemicellulose hydrolyzate in culture medium optimized by Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 yeast residue was evaluated. Simple batch and fed batch operational conditions were evaluated for use in bioprocesses. Experiments were performed in Erlenmeyer flasks with medium containing sugarcane bagasse hemicellulose hydrolyzate, which was detoxified using the yeast Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124, in order to optimize the culture medium according to a fractional factorial design of 29-5, with three repetitions at the midpoint, and a mix plan. The best optimized conditions were yeast extract (2.0 g/L), potassium phosphate (0.5 g/L), peptone (0.5 g/L), magnesium sulfate (0.5 g/L) and zinc sulfate (0.01 g/L). Soon after, pHinicial variables, agitation, and air flow rate were optimized in the bioreactor using a central composite rotational design with three repetitions at the midpoint. The best conditions were found with pHinicial at 6.0, agitation at 225 rpm and aeration at 0.45 vvm, which obtained a YP/S of 0.23 g/g and a QP of 0.18 g/L/h. The performance of Scheffersomyces stipitis yeast in a discontinuous fed-batch process with optimized conditions were also evaluated. In the process, the simple batch reached a 9.94 g/L ethanol production a QP of 0.28 g/L/h. While yeast performance in the fed-batch process was resulted in improvement 37.3%, 75% ethanol formed values (13.75 g/L), and productivity (0.49 g/L/h), respectively. The results indicated that the culture medium supplemented with addition of a few nutrients together with the use of fermentation in fed-batch is a promising for the production of 2G ethanol from sugarcane bagasse hemicellulose hydrolysate.