Submitted by Joana Gabriela Desiderato null (desideratojg@gmail.com) on 2017-07-27T15:07:00Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Joana_Gabriela_Desiderato.docx: 4912171 bytes, checksum: 639bcf495fee38479e4632b0ce8d12d8 (MD5) / Rejected by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO (luizamenezes@reitoria.unesp.br), reason: Solicitamos que realize uma nova submissão seguindo as orientações abaixo: A versão final da dissertação/tese deve ser submetida no formato PDF (Portable Document Format). O arquivo PDF não deve estar protegido e a dissertação/tese deve estar em um único arquivo, inclusive os apêndices e anexos, se houver. Por favor, corrija o formato do arquivo e realize uma nova submissão. Agradecemos a compreensão. on 2017-07-28T13:12:00Z (GMT) / Submitted by Joana Gabriela Desiderato null (desideratojg@gmail.com) on 2017-07-28T13:22:09Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Joana_Gabriela_Desiderato.pdf: 2639616 bytes, checksum: a7f3656945cfe28767c4a7ff73745655 (MD5) / Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO (luizamenezes@reitoria.unesp.br) on 2017-08-01T16:56:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 desiderato_jg_me_jabo.pdf: 2639616 bytes, checksum: a7f3656945cfe28767c4a7ff73745655 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-01T16:56:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 desiderato_jg_me_jabo.pdf: 2639616 bytes, checksum: a7f3656945cfe28767c4a7ff73745655 (MD5) Previous issue date: 2017-07-04 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / A indústria sucroalcooleira gera elevado número de resíduos de origem da biomassa lignocelulósica que apresentam grande potencial para produção de biocombustíveis, em particular o etanol de segunda geração. Uma das formas promissoras para a desconstrução da biomassa lignocelulósica é através da utilização de consórcios bacterianos que produzem enzimas altamente específicas com a capacidade de quebrar a estrutura da lignocelulose. Porém, para a otimização desse processo é importante entender as funções metabólicas presentes nesses consórcios degradadores de biomassa. Portanto, esse estudo objetivou identificar e classificar a composição de uma comunidade bacteriana proveniente de consórcio oriundo de solo contendo bagaço de cana-de-açúcar em decomposição e avaliar sua capacidade metabólica através de sequenciamento genômico de alto rendimento e análises de bioinformática. Esse consórcio foi cultivado durante vinte semanas, sendo que amostras de DNA foram extraídas para sequenciamento a cada sete dias. O sequenciamento da subunidade 16S do operon ribossomal (16S rRNA) foi realizado utilizando a plataforma Ion PGM™, enquanto que o sequenciamento do DNA total foi realizado na plataforma HiSeq 2500, Illumina®. Os resultados do sequenciamento do 16S rRNA indicam 5 diferentes famílias bacterianas ao longo das 20 semanas, sendo Burkholderiaceae (73%) e Rhodanobacteraceae (24%) as mais abundantes. Análises do potencial funcional do consórcio realizadas através dos programas PICRUSt e STAMP, indicam o enriquecimento da função de transportadores, incluindo transportadores do tipo ABC, principalmente na primeira semana, sugerindo um provável papel na metabolização do material lignocelulolítico presente no meio. Os dados gerados pelo sequenciamento total do metagenoma foram montados (“de novo” assembly) e permitiram recuperar a sequência genômica de um dos organismos mais abundantes presentes no consórcio (24%). Esse genoma foi finalizado e circularizado, apresentando 4.758.639 pb e GC% de 65,25, e similaridade de 99% da sequência do 16S rRNA e 90,77% de identidade de suas sequências codificadoras com o genoma da bactéria Dyella jiangningensis SBZ3-12 (Rhodanobacteraceae). A anotação realizada através da plataforma RAST, indicou 4.194 genes codificadores de proteínas, dentre os quais 36 Glicosil Hidrolases potencialmente envolvidas com a degradação da biomassa lignocelulósica. Portanto, esse estudo permitiu a elucidação da diversidade microbiana e perfil metabólico de um consórcio bacteriano, revelando um novo genoma pertencente ao gênero Dyella, potencialmente relacionado com o processo de degradação da biomassa lignocelulósica. Em linhas gerais, os resultados obtidos também corroboraram o potencial que ferramentas de sequenciamento de alto rendimento, metagenômica e bioinformática apresentam para o estudo de comunidades microbianas com potencial biotecnológico, mostrando-se como uma valiosa alternativa para a investigação de novos alvos para a pesquisa em bioenergia. / The sugarcane ethanol industry generates a number of residues related to the lignocellulosic biomass which exhibit potential for the production of biofuels, in particular second generation ethanol. One of the promising ways for the deconstruction of lignocellulosic biomass to valuable products is through the use of bacterial consortia. These consortia encode a specific set of enzymes capable to metabolize and decompose the lignocellulose structure. However, to optimize this process, the metabolic functions present in a biomass-degrading consortia must be well known. Therefore, this study aimed to unravel the taxonomic composition, and to evaluate the metabolic profile of a bacterial consortium from a sugar-cane derived soil containing decomposing straw, through high-throughput genomic sequencing and bioinformatics analyzes. The selected consortium was cultivated in laboratory for twenty weeks, and DNA samples were extracted for sequencing every seven days. The 16S subunit of the ribosomal operon (16S rRNA) and total DNA sequencing were performed through the Ion PGM™ (Thermo Fischer) and HiSeq 2500 (Illumina) platforms, respectively. The 16S rRNA sequencing indicate at least 5 different bacterial families during the 20 weeks of cultivation. The Burkholderiaceae (73%) and Rhodanobacteraceae (24%) are the most abundant. Functional analyses, indicate an enrichment of the transporter-related function, including ABC-transporters mainly in the first week of cultivation, suggesting a probable role related with the decomposing of the lignocellulolytic material. The whole metagenome sequencing uncover the genomic sequence of one of the most abundant organisms present in the consortium (abundance ~24% of the sequenced reads). This genome was finished and circularized, exhibiting 4,758,639 bp, GC% of 65.25, and 99% of similarity of the 16S rRNA and 90.77% identity of the coding sequences to the genome of the bacterium Dyella jiangningensis SBZ3- 12 (Rhodanobacteraceae). The annotation revealed 4,194 proteins coding genes, among which 36 Glycosyl Hydrolases potentially involved with the degradation of lignocellulosic biomass. Therefore, the microbial diversity and metabolic profile of the consortium was revealed. In addition a new genome belonging to the Dyella genus potentially involved with degradation of the lignocellulosic biomass were also uncovered. Overall, the results also corroborated the potential of high-throughput metagenomic sequencing and bioinformatic aproach for the elucidation of microbial communities with biotechnological potential, proving to be a valuable alternative for the bioenergy research. / CNPq: 132532/2015-8

Resumo: A efetiva produção de etanol lignocelulósico depende de leveduras capazes de fermentar a fração hemicelulósica da biomassa lignocelulósica que é composta em sua maioria por xilose. Há uma grande dificuldade em encontrar esses microrganismos já que a capacidade de utilizar xilose como fonte de carbono não é apresentada pela maioria das leveduras. Neste trabalho leveduras isoladas de diferentes materiais da zona rural,foram testadas quanto à assimilação de xilose e glicose, e fermentação de xilose a 30°C, onde observou-se diferentes comportamentos entre diferentes linhagens da mesma espécie. As linhagens de leveduras isoladas foram identificadas pela técnica molecular PCR-RFLP empregando-se as regiôes ITS 5,8 S e D1/D2 do DNA ribossômico. Três leveduras identificadas como espécies de Cândida tropicalis foram avaliadas quanto a capacidade de produção de xilitol e etanol a partir de meio basal com xilose como única fonte de carbono e do licor negro da extração da celulose hidrolisado por enzimas do fungo Thermoascus aurantiacus. A produção de xilitol foi semelhante nos dois substratos, entretanto a produção de etanol foi maior quando o licor negro foi empregado, esses resultados mostraram que a quantidade e a natureza dos açúcares presentes nos meios foram um interferente maior no metabolismo da levedura que os compostos tóxicos presentes no licor negro / Abstract: The effective lignocellulosic ethanol production depends on yeasts that are able to ferment the hemicellulosic biomass fraction, which is mostly composed by xylose. There is a big difficulty in finding such microorganisms because most yeasts do not use xylose as a carbon source. In this work, yeasts isolated from different materials were tested for xylose and glucose assimilation and xylose fermentation at 30°C ,where it was observed different behaviors between strains of the same species. The strains isolated were identified by PCR-RFLP molecular technique employing the ITS 5,8 and D1/D2 regions of ribosomal DNA. Three yeasts were identified as Cândida tropicalis species and their ability to produce xylitol and ethanol from xylose and the black liquor from the cellulose extraction hydrolyzed by enzymes of the fungus Thermoascus aurantiacus was evaluated. The xylitol production was similar in both media, but the ethanol production was higher when the black liquor was used, these results shows that the quantity and nature of the sugars present in the media have a bigger interference in the metabolism of yeast to toxic compounds present in black liquor / Orientador: Roberto da Silva / Coorientador: Daniela Alonso Bocchini Martins / Banca: Eleni Gomes / Banca: Sandra Regina Ceccato Antonini / Mestre

Orientador: Claudio Cabello / Banca: Paulo Sérgio dos Santos Teixeira / Banca: Luis Fernando Barbisan / Banca: Ana Paula Cerino Coutinho / Banca: Rogério Lopes Vieites / Resumo: A produção de bioetanol utilizando matérias-primas amiláceas dá origem a um resíduo lignocelulósico que junto com o vinho esgotado nas colunas de destilação são os principais resíduos do processo. O resíduo líquido segue para tratamento em lagoas de estabilização enquanto o sólido é descartado no ambiente. O presente trabalho teve como objetivo caracterizar os resíduos sólidos de mandioca, sorgo, milho, arroz e batata-doce obtidos em ensaios numa planta piloto de fabricação de bioetanol e verificar os efeitos de sua inclusão em rações para ratos de linhagem Wistar. Cada matéria-prima foi processada separadamente e o resíduo sólido foi secado em estufa para posteriores estudos. A produção dos resíduos teve inicio com adição de água aos resíduos estocados para formação de uma polpa com 20% de amido, sendo adicionadas em duas etapas as enzimas alfa-amilase (90°C / 2 horas / pH 6.0), seguida de amiloglucosidase (60°C/ 14 horas /pH 4.5). Na sequencia o hidrolisado foi submetido a fermentação (28°C / 24 horas) com levedura Sacharomyces cerevisiae, seguida da separação das partes sólidas e líquidas com filtro a vácuo; a parte sólida coletada formou o resíduo estudado, que para melhor conservação foi em seguida seco e moído. Os cinco tipos de resíduos foram caracterizados com análises físico-químicas (proteínas, lipídios, fibras, açúcares e amido). Na fase experimental com animais foram formuladas rações para ratos da linhagem Wistar com 10% de inclusão dos resíduos, cujos animais provenientes do Biotério Central da Administração Geral do Campus da UNESP (Botucatu), foram instalados no Biotério da Patologia por um período de 42 dias, durante os quais foram realizadas as colheitas dos dados referentes a consumo e peso. Após este período os ratos foram sacrificados e foram tomadas amostras de... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The production of ethanol using starches produces two residues, a solid lignocellulosic and a liquid coming from the distillation columns. The following liquid waste treatment in stabilization ponds while the solid is discarded into the environment. This study aimed to produce and characterize solid waste of cassava, sorghum, maize, rice and sweet potatoes processed in a pilot plant production of ethanol and verify the effects of its inclusion in diets for rats Wistar. Each material was processed separately. The production of waste started with addition of water and formation of a pulp with 20% starch, were added alpha-amylase enzyme (90 °C / 2 hr / pH 6.0), followed by amyloglucosidase (60 °C / 14 hours / pH 4.5) the hydrolyzate was subjected to fermentation (28 °C / 24 hours) with yeast Saccharomyces cerevisiae were separated solid and liquid parts with vacuum filter, the solid residue formed was studied (for the better conservation was dried and ground). The five types of waste were characterized with physicochemical analysis (proteins, lipids, sugars and starches). In the phase experimental with animals were formulated diets for rats Wistar with 10% waste inclusions, the animals from the Central Animal Laboratory of the General Administration Campus of UNESP (Botucatu/SP) settled in the Animal Pathology for a period of 42 days, was made to collect data relating to consumption and weight, after this period the rats were sacrificed and samples were taken to analyze blood transaminases (ALT / AST) and creatinina/urea and collected organs (kidneys, liver, stomach, intestine) for analysis of histological slides. With these experimental conditions, the results showed significant differences in the performance of animals when fed with sweet potato waste (higher consumption 12.98 g/day, less weight gain... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

A busca por novas tecnologias que visam à produção de biocombustíveis renováveis, especialmente bioetanol e outros biomateriais, tem se intensificado nos últimos anos. Há um interesse mundial crescente na limitação dos impactos ambientais e mudanças climáticas através da substituição de produtos petroquímicos por análogos ambientalmente corretos, a fim de alcançar uma economia mais sustentável. Além disso, as plataformas biorrefinarias lignocelulósicas necessárias para a produção de bioetanol representam uma oportunidade de estimular novos mercados para o setor agrícola e aumentar os empregos locais, contribuindo para o desenvolvimento das economias emergentes. No entanto, a maioria dos processos de conversão são baseados no conhecimento empírico, exigindo estudos mais aprofundados sobre os fatores envolvidos na hidrólise enzimática da celulose, tais como características biomassas, a otimização da etapa de pré-tratamento, bem como das atividades das enzimas e seus mecanismos de ação. Assim, com o objetivo de contribuir para a viabilização e implantação das tecnologias de produção do etanol lignocelulósico, na primeira parte deste trabalho de doutorado, foi realizada a purificação da β-glicosidase do fungo Aspergillus Níger (NaBgl1), principal enzima do coquetel comercial Novozymes 188, e sua caracterização bioquímica e biofísica. As análises de espalhamento de raios-x a baixo ângulo revelaram uma organização multidomínios desta enzima, com uma estrutura molecular de girino semelhante ao encontrado para as celulases. A sua estrutura é composta por um domínio catalítico N-terminal e um domínio fibronectina de tipo III (FnIII) na região C-terminal, conectados entre si por um longo linker com uma inserção de 100 resíduos de aminoácidos numa conformação estendida. Apesar desta estrutura molecular incomum, os ensaios de eletroforese capilar revelaram um perfil processividade característico de β-glucosidases, e os ensaios enzimáticos confirmaram, também, a ausência de atividade em substratos poliméricos. Nos ensaios adosrção com diferentes compostos poliméricos, a enzima β-glicosidase mostrou uma capacidade de adsorção elevada em lignina. Os mecanismos de ligação FnIII-lignina foram elucidados por simulações de dinâmica molecular, que confirmaram apresença de vários sítios de ligação à lignina no domínio FnIII da enzima. Como segunda parte da presente tese, diferentes biomassas, como bagaço de cana, resíduos de casca de eucalipto e gramíneas (Panicum maximum, Pennisetum purpureum e Brachiaria brizantha) foram submetidas a vários métodos de pré-tratamento (ácido diluído, alcalino, sulfito e água quente) em diferentes condições de tratamento e avaliadas quanto ao seu potencial para a produção de bioetanol. As biomassas in natura e pré-tratadas foram caracterizadas quanto à sua composição química por métodos cromatográficos, ressonância magnética nuclear e espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier; o índice de cristalinidade das amostras foi determinado por método químico e difração de raios-x; as análises morfológicas foram realizadas por microscopia eletrônica de varredura; e os resultados da caracterização foram correlacionados com os perfis de sacarificação enzimática encontrados para cada uma delas. / The search for new technologies aimed at the production of renewable biofuels, specially bioethanol, and other biomaterials has intensified in recent years. There is an increasing world-wide interest in the limitation of environmental impact and climate change by replacing petrochemical products with environment-friendly analogues in order to move towards a sustainable economy. In turn, the lignocellulosic biorefining platforms required for ethanol production present an opportunity to stimulate new markets for the agriculture sector and increase domestic employment, contributing to the development of emerging economies. However, most of conversion processes are based on empirical knowledge, demanding thorough studies about the factors involved on enzymatic hydrolysis of cellulose, such as biomasses characteristics, optimization of pretreatment steps and enzymes activities and molecular action mechanisms. Aiming to contribute for the viability and establishment of lignocellulosic ethanol technologies, on the first part of the present thesis, we performed the purification of main Aspergillus niger β-glucosidase (AnBgl1) from the commercial cocktail Novozymes 188 and its biochemical and biophysical characterization. The small angle x-ray scattering analysis revealed a multidomain organization, with a tadpole-like molecular shape similar to that found for cellulases. Its structure is composed by a N-terminal catalytic domain and a fibronectin type III-like (FnIII) C-terminal domain, connected by a long linker with a 100 aminoacids residues insertion in a extended conformation. In spite of this uncommon molecular structure, capilar zone electrophoresis assays revealed a processivity profile characteristic of β-glucosidases and the enzymatic assays confirmed no-activity on polymeric substrates. On the pull-dowm assays with different polymeric compounds, the β-glucosidase showed a high adsorption ability to lignin. The FnIII-lignin binding mechanisms were elucidated by molecular dynamics simulations, confirming the multiple binding sites to lignin in the enzyme FnIII domain. As a second part of the present thesis, different biomasses such as sugarcane bagasse, eucalyptus bark residues and grasses (Panicum maximum, Pennisetum purpureum and Brachiaria brizantha) were submitted to several pretreatment methods (diluted acid, alkaline, sulfite and hot water) at various conditions and evaluated about their potential to bioethanol production. The raw and pretreated biomasses were characterized about their chemical composition by chromatographic methods, nuclear magnetic ressonance and Fourier transformed infrared spectroscopy; the crystallinity index was determined by chemical method and x-ray diffraction; morphological features were analysed by scanning electron microscopy; and the characterization results were correlated to their enzymatic saccharification profiles.

Orientador: Antonio Jose de Almeida Meirelles / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-17T20:44:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dias_TelmaPorcinaVilasBoas_M.pdf: 800597 bytes, checksum: eee5814b7dd33c7fe35806dce5b84d48 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Os álcoois superiores são provenientes, em sua maior parte, de transformações de aminoácidos durante o processo de fermentação. São álcoois com números de átomos de carbono entre três e cinco, como o álcool propílico, álcool amílico e seus isômeros, responsáveis pelo odor de algumas bebidas alcoólicas. Eles estão presentes na composição do óleo fúsel, que é a fração alcoólica menos volátil obtida durante a destilação do etanol. Embora o óleo fúsel seja um dos principais subprodutos da destilação do álcool, não é devidamente aproveitado pelas indústrias. Devido à presença desses álcoois superiores no processo de destilação do etanol, este trabalho tem como objetivo estudar o equilíbrio líquido vapor (ELV) desses componentes. O estudo foi feito com sistemas isobáricos a pressões de 760 e 560 mmHg, formados pelos álcoois superiores 2-propanol, 2-metil-1-propanol e 3-metil-1-butanol. O equipamento empregado na obtenção dos dados de equilíbrio (_ 9 _ 9 _ 9 _: foi um ebuliômetro FISCHER ® e a composição das fases em equilíbrio (líquida e vapor condensado) foi determinada utilizando cromatografia gasosa. Os sistemas estudados foram os binários 3-metil-1-butanol + 2-metil-1-propanol a 760 mmHg, 2-propanol + 3-metil-1-butanol a 760 mmHg e 560 mmHg e o ternário 2-propanol + 3-metil-1-butanol + 2-metil-1-propanol a 760 mmHg e 560 mmHg, procurando cobrir toda a faixa de composição, incluindo os compostos puros. Os dados de ELV obtidos experimentalmente foram submetidos ao teste de consistência termodinâmica. Outra contribuição consistiu na obtenção dos parâmetros de interação binária de modelos de coeficientes de atividade da fase líquida como as equações de Wilson, UNIQUAC e NRTL. Estas equações são comumente usados em simuladores de processos. Para o ajuste de parâmetros e o teste de consistência foi utilizado o simulador Aspen Plus ®. Os testes de consistência termodinâmica confirmaram a boa qualidade dos dados obtidos pelo ebuliômetro FISCHER ® para os sistemas binários estudados. Os modelos de Wilson, NRTL e UNIQUAC mostraram-se adequados na representação do ELV de todos os sistemas estudados, binários e ternários, obtendo-se desvios de temperatura e de composição da fase vapor muito próximos para todos os modelos utilizados / Abstract: The higher alcohols are derived, mainly, from the amino acids changes during the fermentation process. These are alcohols with carbon numbers between three and five, such as propyl alcohol, amyl alcohol and their isomers, responsible for the odor of most alcoholic beverages. They are present in the composition of fusel oil, which is the least volatile alcoholic fraction obtained during the ethanol distillation. Although the fusel oil is one of the main by-products of alcohol distillation, it is not properly harnessed by industry. Due to the presence of higher alcohols in the ethanol distillation process, this work aims at studying the vapor-liquid equilibrium (VLE) of these components. The study was developed with isobaric systems at pressures of 760 and 560 mmHg, formed by higher alcohols 2-propanol, 2-methyl- 1-butanol and 3-methyl-1-butanol. The equipment used in obtaining the equilibrium data (P ¿ T ¿ x ¿ y) was an ebuliometer FISCHER and the composition of the equilibrium phases (liquid and condensed steam) was determined using gas chromatography. The studied systems were the binary 3-methyl-1-butanol + 2- methyl-1-propanol at 760 mmHg, 2-propanol + 3-methyl-1-butanol at 760 mmHg and 560 mmHg and the ternary 2-propanol + 3 - methyl-1-butanol + 2-methyl-1- propanol at 760 mmHg and 560 mmHg, always trying to cover the entire composition range including the pure compounds. The VLE data obtained were experimentally tested for thermodynamic consistency. Another contribution was the binary interaction parameters obtained by adjusting the activity coefficient models of the liquid phase (Wilson, NRTL and UNIQUAC) to the experimental data. These equations are commonly used in process simulators. The Aspen Plus simulator was used to adjust the parameters and to test the consistency of the experimental data. The thermodynamic consistency tests confirmed the good data quality obtained by the FISCHER ebuliometer for the binary systems studied. The models Wilson, NRTL and UNIQUAC proved to be adequate for representing the VLE of all studied systems, binary and ternary ones, and the temperature and vapor composition deviations between experimental and calculated data were low for all the models used / Mestrado / Engenharia de Alimentos / Mestre em Engenharia de Alimentos

O aprimoramento dos meios para obtenção do bioetanol a partir de diferentes tipos de biomassa traz novos problemas e desafios para a engenharia. O Brasil, devido a fatores climáticos e uma produção de etanol a partir da cana de açúcar já estabilizada, possui uma posição mundial vantajosa na produção sucroalcooleira. Otimizar os meios já existentes e os em desenvolvimento pode não somente aumentar a eficiência da produção, como também reduzir os impactos ambientais causados pelo modelo de produção atualmente utilizado. O processo de fermentação é utilizado tanto na produção de etanol de primeira como de segunda geração, portanto melhorias no desempenho dos fermentadores contribui de maneira significante para o melhor aproveitamento da matéria prima. Diversas tentativas de melhorias são apresentadas na literatura, principalmente por meio do estudo de parâmetros do escoamento que podem influenciar o processo fermentativo, como tensão de cisalhamento, perfis de velocidade e tempo de residência, assim como a influência da geometria do fermentador sobre esses parâmetros. Em alguns estudos, algoritmos de otimização são utilizados para determinar os melhores coeficientes das reações químicas, mas não há estudos, até o momento, que proporcionem otimização simultânea dos parâmetros da geometria e do escoamento em um fermentador contínuo, presentes em cerca de 30% das usinas brasileiras. O objetivo deste trabalho é obter os parâmetros geométricos ideais para um fermentador contínuo, de forma a minimizar a tensão de cisalhamento a variância da distribuição de tempos de residência (DTR) no fermentador. O Ansys CFX® foi utilizado como ferramenta na simulação computacional do escoamento. As geometrias dos fermentadores ideais para cada um dessas análises, obtidas utilizando Algoritmos Genéticos e otimização univariada, respectivamente, foram propostas neste estudo. / The enhancement of bioethanol production means from different types of biomass presents significant problems and engineering challenges. Due to climate and a well-established sugar-cane ethanol production, Brazil is in a privileged position in the global ethanol production scenario. Providing effective means to optimize existing production methods can both improve the efficiency and reduce the environmental impact of the currently used production model. Improvements on this process can have a significant effect in several stages of production, once the production process is used both for first and second-generation ethanol. Several attempts to improve the ethanol production process are presented in the literature. Most studies have investigated how to improve parameters such as shear stress, velocity profiles and residence time, and of the influence of the bioreactor geometry on the parameters. The use of genetic algorithms has been reported in some cases, but there have not been reports on studies combining the optimization of flow parameters and algorithms to choose ideal geometric parameters for continuous fermenters, used in 30% of Brazilian industries in the field. The main aim of this study is to obtain ideal geometric parameters for a continuous fermenter, in order to maximize or minimize flow parameters that can influence on the fermenting process. The aim of this study is obtain the ideal geometry parameters for a continuous fermenter, minimizing two of flow parameters which can influence the fermentation process, namely the shear stress and the variance of residence time distribution (RTD). The flow parameters was obtained by computational fluid dynamics. The ideal fermenter geometries was obtained by two different optimization methods: the genetic algorithms and univariate optimization. The ideal geometries was proposed in this study.

Submitted by Neusa Fagundes (neusa.fagundes@unioeste.br) on 2018-03-05T19:50:05Z No. of bitstreams: 2 Debora_Dudek2017.pdf: 1099947 bytes, checksum: eb7356b2bdfdfe7d3d4da8e48d12d05c (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-05T19:50:05Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Debora_Dudek2017.pdf: 1099947 bytes, checksum: eb7356b2bdfdfe7d3d4da8e48d12d05c (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-02-07 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / Second generation bioethanol employs lignocellulosic materials in its preparation. One of the steps for these materials degradation utilizes cellulases produced by microorganisms. Among these, Trichoderma reesei fungus is one of the main cellulases producers used in industry. This fungus genetic modification can lead to enzimes production optimization, reducing cost and improving biofuels manufacture. Thus, the present work objective was delete the sequence encoding zinc fingers motifs of cellulase ACE1repressor transcription factor from T. reesei RUT-C30 fungus, seeking enzymatic production optimization. In primers construction for amplification ACE1 regions 5’ and 3' and the hph selection marker, which confers hygromycin B resistance, Joint Genome Institute - JGI site and the BioEdit ® program were used. The deletion cassette with pRS426 vector construction was mediated by Saccharomyces cerevisiae SC9721 yeast. After the cassette construction, T. reesei RUT-C30 transformation was made by protoplast and this transformation confirmation was effected by part of the hph using hphNestF and hphNestR amplification primers. After transformation with mutants obtained, endoglucanase, exoglucanase and total cellulase activity was quantified with carboxymethylcellulose substrates (CMC), microcrystalline cellulose (Avicel®) and Whatman paper filter (PF), respectively. The enzymatic production and biomass hydrolysis efficiency were performed comparing RUT-C30 strain for mutants. After deletion cassette construction, a 3501 bp fragment amplification confirmed the cassette formation. Posteriorly, RUT-C30 strain transformation, a 989 bp amplification was observed, confirming the 3 mutants target sequence deletion. With cellulase activity assay, 3 transformed strain showed higher enzymatic production when compared to RUT-C30 strain. In this comparison, a significant statistical difference was observed of RUT-C30Δace1-1 strain with Avicel® and PF (p <0.001) CMC (p <0.01), RUT-C30Δace1-2 strain with CMC (p<0,01) e PF (p<0,05), and RUT-C30Δace1-3 strain with Avicel (p<0,001), CMC and PF (p<0,01). The mutants also showed greater efficiency in biomass hydrolysis, with release sugar increase between 21 and 42%. Based on this study, mutants are promising for most efficient and viable ethanol production. Nevertheless, additional tests must be carried out to better understand these fungi applicability in the industrial level. / O bioetanol de segunda geração emprega materiais lignocelulósicos na sua elaboração. Uma das etapas para a degradação destes materiais utiliza celulases produzidas por microrganismos. Dentre estes, o fungo Trichoderma reesei é um dos principais produtores de celulases utilizadas na indústria. A modificação genética deste fungo pode levar à otimização da produção de suas enzimas, diminuindo o custo e melhorando a fabricação de biocombustíveis. Desta forma, o objetivo do trabalho foi deletar a região dos motivos dedos de zinco no gene que codifica o fator de transcrição repressor de celulase ACE1 do fungo T. reesei RUT-C30, buscando a otimização na produção enzimática. Na construção dos primers para amplificação das regiões 5’ e 3’ de ace1 e do marcador de seleção hph, que confere resistência à higromicina B, utilizou-se o site Joint Genome Institute – JGI e o programa BioEdit®. A construção do cassete de deleção com o vetor pRS426 foi mediado pela levedura Saccharomyces cerevisiae SC9721. Posteriormente, a construção do cassete, a transformação de T. reesei RUT-C30 foi realizada através de protoplasto e a confirmação desta transformação foi efetuada por amplificação de parte do hph utilizando os primers hphNestF e hphNestR. Após a transformação, com os mutantes obtidos, a atividade de endoglucanase, exoglucanase e celulase total foi quantificada com os substratos carboximetilcelulose (CMC), celulose microcristalina (Avicel®) e papel de filtro Whatman (PF), respectivamente. A produção enzimática e a eficiência na hidrólise da biomassa foram realizadas comparando-se a linhagem RUT-C30 aos mutantes. Após a construção do cassete de deleção, a amplificação de um fragmento de 3501 pb confirmou a formação do cassete. E, posteriormente à transformação da linhagem RUT-C30, o amplificado de 989 pb foi observado, confirmando a deleção da sequência alvo em 3 mutantes. Com o ensaio de atividade de celulases, as 3 linhagens transformadas mostraram maior produção enzimática quando comparadas à linhagem RUT-C30. Nessa comparação, foi observada diferença estatística significativa da linhagem RUT-C30Δace1-1 com Avicel® e PF (p<0,001), da linhagem RUTC30Δace1- 2 com CMC (p<0,01) e PF (p<0,05) e da linhagem RUT-C30Δace1-3 com Avicel (p<0,001), CMC e PF (p<0,01). Os mutantes também apresentaram maior eficiência na hidrólise da biomassa, com aumento na liberação de açúcar entre 21 e 42%. Com base nos dados deste estudo, os mutantes apresentam-se promissores para a produção mais eficiente e viável de etanol. Apesar disso, testes adicionais devem ser realizados para melhor entendimento da aplicabilidade destes fungos a nível industrial.

Orientadores: Gonçalo Amarante Guimarães Pereira, Juan Lucas Argueso / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-21T03:40:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CarvalhoNetto_OsmarVazde_D.pdf: 3871803 bytes, checksum: 86689af3801aaa7c1f590f5061a729ba (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A fermentação alcoólica realizada por leveduras da espécie Saccharomyces cerevisiae é atualmente o principal processo em escala econômica para a produção de etanol a partir de fontes renováveis (bioetanol). Entretanto, as linhagens isoladas há quase duas décadas vêm perdendo gradualmente seu desempenho fermentativo ao longo dos anos, reduzindo o rendimento e a estabilidade do processo. Um dos fatores que contribuem para tais perdas está associado às significativas alterações operacionais do processo nestas duas décadas. Aliado a isto, pouco se conhece sobre as bases genéticas das principais linhagens comerciais utilizadas no Brasil, inviabilizando o sucesso de programas de melhoramento genético. Neste ponto, este trabalho propõe de forma inédita um estudo completo de caracterização, análise de expressão e manipulação gênica de PE-2, uma das principais linhagens usadas no processo Brasileiro. Para isto, dados da estrutura, composição e regulação do genoma foram gerados. A partir dessas informações foi desenvolvida, através de manipulações genéticas, uma linhagem auxotrófica para uracila (plataforma biológica) e outras com características de fermentação superiores ao isolado selvagem. O conceito de que o sucesso de manipulações pontuais depende de um conhecimento prévio detalhado da linhagem de interesse, compreendendo tanto suas bases genéticas quanto fisiológicas, foi validado neste estudo. Os dados aqui apresentados abrem novas perspectivas para o desenvolvimento de uma segunda geração de linhagens de S. cerevisiae ainda mais robustas, voltadas não apenas para a produção de bioetanol, como também para utilização em outros processos biotecnológicos / Abstract: The alcoholic fermentation performed by yeasts of the specie Saccharomyces cerevisiae is the main current process to produce ethanol from renewable resources (bioethanol) under economic scale. However, strains isolated two decades ago have been gradually losing their original fermentative fitness during the years, decreasing the process yield and stability. One of the factors that contribute for these losses is associated with the meaningful process operational changes along these years. In addition to that, there is a knowledge gap regarding the genetic bases of the commercial strains used on Brazil, not leading to success of the genetic improvements programs. Hereupon, this work propose in a first time way a complete characterization, expression analysis and genetic manipulation study of PE-2, one of the most important strain used on Brazilian process. To this, structure, composition and regulation data of the genome were produced. From such information, it was developed by genetic manipulations assays an auxotrophic yeast for uracile (biological plataform) and others strains with superior fermentative characteristics in comparison with the wild isolated. The concept that the success of precise manipulations depends on the previous detailed knowledge of the interest strain, regarding the genetic and physiology bases, was confirmed herein. The data presented here also establish new perspectives for the construction of a second generation strains even more robusts, designed not only for the bioethanol production, but also to be applied on different biotechnological processes / Doutorado / Genetica de Microorganismos / Doutor em Genetica e Biologia Molecular

Orientador: Carlos Kenichi Suzuki / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-20T11:45:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sato_SergioAkira_M.pdf: 3388849 bytes, checksum: f5d9b2d80a5cef7ee5e040fb289c0ae5 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O objetivo deste trabalho tem como propósito principal o de analisar o modelo de gestão atual do setor sucroalcooleiro do bioetanol e desenvolver um modelo prático de gestão do conhecimento com foco na troca de informações entre as áreas da agricultura, e usina de álcool na geração de bioenergia que utilizam como base uma matéria-prima com alto índice de sustentabilidade econômica e que oferece o menor impacto ambiental, a cana-de-açúcar. Foi desenvolvido um Modelo com foco em gestão de conhecimento alimentado por dados coletados com tecnologia embarcada para agricultura de precisão com indicadores de desempenho das etapas do manejo da cana-de-açúcar incluindo dados de conhecimento tácito nos sistemas de informações, bancos de dados e mapas do conhecimento oferecendo uma visibilidade global dos processos em um modelo prático com front-end em software que facilitou a integração total e a comunicação rápida entre as áreas da agricultura e usina. O processo de inovação tecnológica para agricultura de precisão foi promovido através da gestão do conhecimento e da troca de informações entre as áreas da agricultura no manejo da cana-de-açúcar e a aferição da ATR na usina para a produção de bioetanol favorecendo o feedback de informações dos eventos em cada processo durante todo o ciclo do processo desta produção. O resultado obtido com os dados inferindo em mapas do conhecimento foi um aumento expressivo de informações operacionais das áreas e uma maior visibilidade com um aumento ao fomento no processo de inovação tecnológica em uma busca pela melhoria contínua favorecida pela integração das áreas do setor sucroalcooleiro baseada em uma plataforma tecnológica como a Web com utilização de Intranets, Virtual Private Networks (VPN) ou Extranets para a comunicação entre as áreas de forma instantânea, melhorando a previsão do aumento de produtividade e expectativas econômicas da produção anual / Abstract: The main goal of the present work was to analyze the current management model of the sugar-alcohol sector for bioethanol production and to develop a practical model of knowledge management with focus on the information exchange among agriculture, ethanol plant in the generation of bioenergy which use a self-sustaining raw-material that offers the high index of economic sustainability and lowest environmental impact, the sugarcane. A Model was developed with focus on a knowledge management fed by collected data from embedded technology for the precision agriculture with performance indicators on the stages of sugarcane management including data from tacit information included on information systems, databases, and knowledge maps offering a global process and visibility in a practical model with a front-end software that facilitated the seamless integration and fast communication between agriculture and ethanol plant areas. The process of technology innovation to precision agriculture has been promoted through the knowledge management and information exchange between the areas of sugarcane agriculture and the measurement of ATR at the bioethanol plant for the production of bioethanol favoring the feedback of information events in each process during the entire process of production. The obtained result with the inferred data in knowledge maps was an expressive increase of the operational information of areas and a larger visibility, offering an increase in the technology innovation with a search for a continuous improvement favored by the integration of the areas of the sugar-alcohol sector based on a technological platform as the Web Browser using Intranets, Virtual Private Networks (VPN) or Extranets between areas, instantly improving the prediction of productivity increase and economic expectation of annual production / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Rubens Maciel Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-20T17:52:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HerreraAgudelo_WilliamEduardo_M.pdf: 3080655 bytes, checksum: 1ffc9c47174c539ebfd93c541c5d460a (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Pesquisas estão sendo conduzidas em todo o mundo para o desenvolvimento de novas tecnologias para a produção de combustíveis líquidos a partir de recursos renováveis. Neste contexto a produção de bioetanol a partir de cana de açúcar é uma forma de reduzir o consumo de petróleo bruto e de contribuir com a redução da poluição ambiental, tornando-se uma importante alternativa para a obtenção de um combustível sustentável. Dentro do panorama exposto, pretende-se avaliar uma forma efetiva de diminuir os custos de produção do etanol combustível, o que contribui com a viabilidade econômica desta alternativa. Levando isso em consideração, nesse trabalho se desenvolveu um software sensor para determinação de Biomassa, Substrato e Produto a partir de medidas secundarias como turbidez, pH, vazão de CO2 e temperatura, usando um modelo híbrido neural que combina as equações de balanço de massa com redes neurais que descrevem a cinética do processo de fermentação. O processo fermentativo tem como matéria prima uma mistura de hidrolisado de bagaço e melaço de cana 75% e 25% em volume utilizado neste trabalho, respectivamente. Este tipo de composição é típica de processos de produção de etanol de 2a geração (que fazem uso da hidrólise do bagaço) acoplada com processos de 1a geração (que fazem uso do caldo extraído da cana, processo convencional já existente). Desta forma os desenvolvimentos realizados neste trabalho podem ser aplicados tanto para os processos convencionais quanto os processos de 2ª geração / Abstract: Researches are being conducted worldwide to the development of new technologies for the production of liquid fuels from renewal resources. In this context, the production of bioethanol from sugar cane is one way to reduce consumption of petroleum crude, and to contribute with the reduction of environmental pollution, becoming an important alternative for the achivement of a sustainable development. Within the proposed scenario, the goal is to evaluate an effective way to reduce costs of the production of ethanol biofuel, which contributes to the economic viability of this alternative Taking this into consideration, this work has developed a software sensor for determination of biomass, substrate and product from secondary measures such as turbidity, pH, CO2 flow rate and temperature, using an artificial neural network that combines the mass balance equations with neural networks that describe the kinetics of the fermentation process. The fermentation process is as raw material a mixture of hydrolyzed and cane molasses 75% and 25% volume, respectively. This type of composition could be typical of the second generation of the ethanol production process (making use of the bagasse hydrolysis) coupled with processes of first generation (making use of the juice extracted from sugar cane, which it's a conventional process already exists).Thus the developments made in this work can be applied not only to conventional processes, but also to possible processes of second generation / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química