Orientador: Aline Carvalho da Costa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T12:53:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BozaCondorena_EdwinGuido_D.pdf: 5093932 bytes, checksum: 505cbc2b6c875e35004ad875c0f0ac6a (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Na presente tese foram abordados problemas no contexto da produção de etanol de primeira e segunda geração. No caso de etanol de segunda geração foi abordado o problema de melhorar a eficiência da hidrolise enzimática, com as seguintes contribuições: (1) otimização da carga enzimática utilizando técnicas de modelagem por redes neurais. (2) substituição de um modelo com limitações na representatividade dos pontos experimentais obtido por desenho experimental pela superfície de resposta de um modelo de redes neurais que permite a exploração da região do ótimo no espaço de fatores e respostas. Os resultados obtidos mostram (1) boa precisão para a localização das coordenadas da região ótima de trabalho. (2) um mapeamento da evolução do processo com localização do ótimo global utilizando algoritmos genéticos e técnicas de computação evolutiva. No caso dos processos de produção de etanol de primeira geração foi estudado o problema do controle com modelo de um processo de fermentação continua com extração de etanol utilizando vácuo quando não se tem modelo fenomenológico disponível com as seguintes contribuições e resultados: (1) foi desenvolvida uma abordagem que integrou redes neurais artificiais, com o controle preditivo com modelo (MPC). (2) foram desenvolvidos modelos empíricos do processo com redes neurais artificiais (3) foi desenvolvida uma abordagem que utiliza o "conhecimento aprendido" pelas redes neurais o qual e armazenado em pesos sinápticos e bias. (4) foram desenvolvidos vários modelos empíricos de redes neurais para o monitoramento das concentrações de etanol que podem ser utilizados para desenvolver software sensores. (5) foram implementadas diferentes estruturas de controle preditivo com diferentes modelos internos de redes neurais para os controladores, com otimiza dor linear e não linear para o caso de estudo. Nos diferentes capítulos em que foram implementadas estruturas de controle integrando as redes neurais com a tecnologia MPC, se mostrou que, a abordagem desenvolvida e eficiente para os projetos dos sistemas de controle com modelo empírico / Abstract: In this thesis were studied problems in the context of ethanol production of first and second generation. In the case of second generation ethanol was studied the problem of improving the enzymatic hydrolysis efficiency, with the following contributions: 1) optimization of enzyme loading by using modeling techniques based on neural networks, 2) substitution of a model with limited representation capacity of the experimental points which was obtained by using experimental design by the response surface model of a neural network that allows the exploration of the space of factors and responses. The results show: 1) good accuracy in locating the coordinates of the optimum working region, 2) the mapping of the evolution of the process with the location of the global optimum by using genetic algorithms and evolutionary computing techniques. In case of the production of first generation ethanol was studied the problem of the control with process model of a fermentation process with continuous extraction of ethanol by using a vacuum system when there is no a phenomenological model available with the following contributions and results: 1) It was developed an approach in which were integrated artificial neural networks with model predictive control (MPC). 2) It were developed empirical process models by using artificial neural networks 3) It was developed an approach that uses the "learned knowledge" by neural networks which is stored in synaptic weights and bias. 4) It were developed several empirical models of neural networks for monitoring concentrations of ethanol that can be used to develop software sensors. 5) It were implemented different predictive control structures with different internal models based on neural networks for controllers with linear and non-linear optimizer to be applied on the case of study. In the different chapters in which were implemented control structures by integrating neural networks with MPC technology, it was showed that the developed approach is efficient to be applied in the designs of control systems with empirical model / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

[ES] El presente trabajo de investigación está centrado en la valorización y la mejora del bioetanol, empleando catalizadores heterogéneos, en un reactor de flujo continuo a escala de laboratorio. En primer lugar, en los laboratorios del Departamento de Química Industrial de la Universidad de Bolonia (Unibo), se ha estudiado la conversión catalítica del etanol en fase gaseosa sobre catalizadores basados en hidroxiapatitas (HAP). Los ensayos catalíticos se llevaron a cabo alimentando un reactor de lecho fijo a escala de laboratorio, empleando el catalizador en forma de pellets y una mezcla de etanol/He, en el rango de temperatura de 300-600 ºC. El interés se focalizó en la formación de productos de alta condensación, con el fin de obtener una mezcla orgánica que pueda ser empleada como bio-combustible. Tras seleccionar las condiciones de reacción, se sintetizaron y probaron diferentes hidroxiapatitas con capacidad de intercambio iónico que poseen metales de transición (Fe, Cu) y metales alcalinotérreos (Sr) en su composición. Mientras que las HAP conteniendo metales de transición actúan esencialmente como catalizadores ácidos, produciendo principalmente el producto de la deshidratación del etanol, el etileno, el catalizador de Sr-HAP permite la formación de una mezcla de reacción compleja, la cual necesita de una mayor optimización para cumplir con los requisitos adecuados para su posterior empleo como biofuel. A continuación, en los laboratorios del Instituto de Tecnología Química (ITQ) de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV), el estudio se centró en dos materiales catalíticos diferentes, el óxido de zirconio y la sepiolita, una arcilla natural abundante en España. Ambos materiales se han probados para la transformación de etanol, en el rango de temperatura de 300-450 ºC, empleando un reactor de lecho fijo a escala laboratorio, con el catalizador en forma de pellets, y usando una mezcla de etanol/N2. Los catalizadores con óxido de zirconio se prepararon mediante dos métodos diferentes, precipitación e hidrotermal, variando algunos de los parámetros de síntesis (pH, naturaleza de la base), y empleando algunos metales de transición como elementos dopantes (Ti, Y). La presencia de un elemento dopante en la estructura de la zirconia favorece la estabilización de las fases tetragonal y cúbica frente a fase monoclínica. Todas las muestras exhibieron un comportamiento ácido. Resulta interesante que la zirconia dopada con 5%mol de Ti exhibe un comportamiento catalítico diferente, produciendo el dietiléter como principal producto a 300ºC, mientras que los otros catalizadores producen principalmente etileno, ambos, productos de la deshidratación del etanol. Por otra parte, se ha estudiado el efecto de las propiedades ácido-base de la sepiolita, modificada con metales alcalinos (Na, K, Cs) y cargas de metal variables (2, 4, 5, 7, 14 wt%), y de las propiedades redox de la sepiolita, como soporte de CuO o NiO, sobre la conversión catalítica de etanol a n-butanol. Las sepiolitas tratadas térmicamente actúan principalmente como catalizadores ácidos, produciendo preferentemente productos de deshidratación del etanol (etileno y dietiléter). Mientras que la presencia de un metal de transición no favorece la producción de n-butanol, la presencia de un metal alcalino en el sistema catalítico parece ser crucial para la formación de n-butanol. Los mejores resultados en términos de actividad (conversión de etanol, 59%) y selectividad (30%) de n-butanol se han obtenido a 400 ºC y un tiempo de contacto, W/F, de 2 g/mL·s, con el catalizador basado en sepiolita calcinada a 500 ºC, y modificada con 7 wt% de cesio, mediante impregnación en fase acuosa. / [CA] El present treball de recerca està centrat en la valorització i la millora del bioetanol, emprant catalitzadors heterogenis, en un reactor de flux continu a escala de laboratori. En primer lloc, en els laboratoris del Departament de Química Industrial de la Universitat de Bolonya (Unibo), s'ha estudiat la conversió catalítica de l'etanol en fase gasosa sobre catalitzadors basats en hidroxiapatitas (HAP). Els assajos catalítics es van dur a terme alimentant un reactor de llit fix, a escala de laboratori, contenint el catalitzador en forma de pèl·lets amb una mescla d'etanol/He, en el rang de temperatura de 300-600 °C. L'interés es va focalitzar en la formació de productes d'alta condensació, amb la finalitat d'obtindre una mescla orgànica que puga ser emprada com a bio-combustible. Després de seleccionar les condicions de reacció, es van sintetitzar i van provar diferents hidroxiapatitas amb capacitat d'intercanvi iònic que posseeixen metalls de transició (Fe, Cu) i metalls alcalinotérreos (Sr) en la seua composició. Mentre que les HAP contenint metalls de transició actuen essencialment com a catalitzadors àcids produint principalment el producte de la deshidratació de l'etanol, l'etilé, el catalitzador de Sr-HAP permet la formació d'una mescla de reacció complexa, la qual necessita d'una major optimització per a complir amb els requisits adequats per a la seua posterior ocupació com biofuel. A continuació, en els laboratoris de l'Institut de Tecnologia Química (ITQ) de la Universitat Politècnica de València (UPV), l'estudi es va centrar en dos materials catalítics diferents, l'òxid de zirconio i sepiolita, una argila natural abundant a Espanya. Tots dos materials s'han provats per a la transformació d'etanol en el rang de temperatura de 300-450 °C, emprant un reactor de llit fix a escala laboratori, contenint el catalitzador en forma de pèl·lets, i usant una mescla d'etanol/N2 Els catalitzadors amb òxid de zirconio es van preparar mitjançant dos mètodes diferents, precipitació i hidrotermal, variant alguns dels paràmetres de síntesis (pH, naturalesa de la base), i emprant alguns metalls de transició com a elements dopants (Ti, Y). La presència d'un element dopant en l'estructura de la zircònia afavoreix l'estabilització de les fases tetragonal i cúbica enfront de fase monoclínica Totes les mostres van exhibir un comportament àcid. Resulta interessant que la zircònia dopada amb 5%mol de Ti exhibisca un comportament catalític diferent, produint el dietiléter com a principal producte a 300 °C, mentre que les altres mostres produeixen principalment etilé, tots dos, productes de la deshidratació de l'etanol. D'altra banda s'ha estudiat l'efecte de les propietats àcid-base de la sepiolita, modificada amb metalls alcalins (Na, K, Cs) i càrregues de metall variables (2, 4, 5, 7, 14 wt%), i de les propietats redox de la sepiolita, com a suport de CuO o NiO, sobre la conversió catalítica d'etanol a n-butanol. Les sepiolites tractades tèrmicament actuen principalment com a catalitzadors àcids, produint principalment productes de deshidratació de l'etanol (etilé i dietiléter). Mentre que la presència d'un metall de transició no afavoreix la producció de n-butanol, la presència d'un metall alcalí en el sistema catalític sembla ser crucial per a la formació del n-butanol. Els millors resultats en termes d'activitat (conversió d'etanol, 59%) i selectivitat (30%) de n-butanol s'han obtingut a 400°C i un temps de contacte, W/F, de 2 g/ml·s amb el catalitzador compost de sepiolita calcinada a 500 °C, i modificada amb 7 wt% de Cs. / [EN] The present research work focused on the valorisation and upgrading of bio-ethanol over heterogeneous catalysts in a lab-scale continuous gas-flow system. Firstly, in the laboratories of the Department of Industrial Chemistry of the University of Bologna (Unibo), the catalytic ethanol gas-phase conversion was studied over hydroxyapatite (HAP) based catalysts. Catalytic tests have been carried out in the temperature range 300-600°C by feeding an ethanol/He mixture into a quartz lab-scale fixed bed reactor of pelletized catalyst. The focus was placed on enhancing the formation of higher condensation products in order to obtain an organic mixture with application as bio-fuel. After choosing the reaction conditions, ion-exchanged hydroxyapatite with transition metals (i.e., Fe, Cu) and alkaline earth metal (i.e., Sr) have been synthesized and tested. While the transition metal-exchanged HAP acted essentially as acid catalysts, yielding mainly the dehydration product of ethanol, ethylene, the Sr-HAP catalyst led to the formation of a complex reaction mixture the composition of which need further optimization in order to fill the requisite to be used as fuel-blend. Then, in the laboratories of the Institute of Chemical Technology (ITQ) of the Polytechnic University of Valencia (UPV), the study focused on two different catalytic materials, zirconium oxide and the natural clay sepiolite. Both the materials have been tested into the ethanol transformation carrying out the catalytic tests in the temperature range 300-450 °C by feeding an ethanol/N2 mixture into a quartz lab-scale fixed bed reactor of pelletized catalyst. Zirconium-oxide based catalysts have been prepared through two different methods, precipitation and hydrothermal, by varying some synthetic parameters (i.e., pH, the nature of the base) and by adding a transition metal as dopant agent (i.e., Ti and Y). The presence of a dopant into the zirconia structure favoured the stabilization of the tetragonal or cubic phase against the monoclinic one. All samples exhibited acidic behaviour. Interestingly, 5%mol Ti-doped zirconia exhibited a different catalytic behaviour yielding diethyl ether as major product at 300°C, while all the others samples produced mainly ethylene, both dehydration products of ethanol. The effect of acid-base properties of sepiolite, using alkali metals (i.e., Na, K, Cs) with different metal loading (i.e., 2, 4, 5, 7, 14 wt%) as promoters, and of the redox properties of sepiolite-supported CuO or NiO, on the catalytic conversion of ethanol into n-butanol has been investigated. Thermal treated sepiolite samples mainly acted as acid catalyst, yielding preferentially the dehydration products of ethanol (ethylene and diethyl ether). While the presence of a transition metal did not favour n-butanol production, the presence of an alkali metal into the catalytic system appeared to be crucial for n-butanol formation. Best results in terms of activity (ethanol conversion, 59%) and n-butanol selectivity (30%) where obtained at 400ºC and a contact time, W/F, of 2 g/mL·s over the catalyst consisting of sepiolite calcined at 500ºC modified with 7 wt% of cesium. / Balestra, G. (2022). Valorization of Bio-Alcohols into Added Value Chemicals [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/184991 / TESIS

A produção de etanol nas destilarias brasileiras é baseada na atividade fermentativa da levedura Saccharomyces cerevisiae que utiliza o caldo da cana-de-açúcar e/ou o melaço como substrato. Bactérias contaminantes da fermentação alcoólica competem com as leveduras pelos açúcares, afetando o rendimento do sistema produtivo e, consequentemente, causando perdas econômicas significativas às usinas. Biofilmes formados nos tanques de fermentação alcoólica agem como reservatórios de bactérias, contribuindo para contaminações persistentes e de difícil controle. Os biofilmes proporcionam aos seus habitantes certo grau de proteção contra diversas ameaças do meio, incluindo a ação dos antibióticos. Desta forma, o conhecimento da comunidade bacteriana dos biofilmes é fundamental para as medidas que visam o controle das contaminações na produção do bioetanol. No primeiro estudo, a composição e dinâmica da comunidade bacteriana foram determinadas pela análise de sequências do gene 16S rRNA de biofilmes com diferentes períodos de crescimento, correspondentes aos estágios iniciais de estabelecimento destes biofilmes dentro dos tanques de fermentação alcóolica Os resultados mostraram que estas comunidades foram compostas predominantemente pelas bactérias ácido-lácticas (LAB), com destaque para o gênero Lactobacillus. A visualização da estrutura dos biofilmes por microscopia eletrônica de varredura evidenciou que estes são formados por bactérias e leveduras (biofilmes mistos). No segundo estudo, a suscetibilidade aos antimicrobianos (monensina, virginiamicina e beta-ácido derivado do lúpulo) e a capacidade de formação de biofilmes em culturas puras foram avaliadas para isolados de Lactobacillus spp. provenientes de biofilmes (células sésseis) e de vinho bruto (células planctônicas) coletados dos tanques de fermentação. A partir dos resultados foi possível observar que as diferenças na suscetibilidade aos antimicrobianos e na habilidade de formar biofilmes foram estirpe-dependentes e que, em alguns casos, o perfil apresentado para algumas espécies mostrou-se relacionado à fonte de isolamento. Este foi o primeiro estudo sobre biofilmes contaminantes da fermentação alcoólica, em escala industrial, para a produção de etanol a partir da cana-de-açúcar / Bioethanol production in Brazilian distilleries is based on fermentative activity of the yeast Saccharomyces cerevisiae which uses sugarcane juice and/or molasses as a substrate. Bacterial contaminants of alcoholic fermentation compete with yeasts for sugars, affecting ethanol yield and consequently causing relevant economic losses to the fuel ethanol industry. Biofilms formed into fermentors act as bacterial reservoirs, contributing to persistent contaminations that are difficult to control. Biofilms provide a certain degree of protection for their inhabitants against some environmental threats, including antibiotics. Thus, understanding bacterial community within biofilms is essential for actions to control contaminations in bioethanol production. In the first study, composition and dynamic of bacterial community were determined by 16S rRNA gene sequences analysis of biofilms with different growth periods, corresponding to initial stages of biofilm establishment in fermentation tanks. Results showed that these communities were dominated by lactic acid bacteria (LAB), mainly of the genus Lactobacillus. Visualization of biofilm structure by scanning electron microscopy revealed a mixed-species biofilm composed by bacteria and yeasts. In the second study, susceptibility to antimicrobials (monensina, virginiamicina and beta-acids from hops) and capacity to form biofilm in pure culture were evaluated for Lactobacillus spp. isolated from biofilms (sessile cells) and wine (planktonic cells) collected from fermentors. The results showed that differences in the susceptibility to antimicrobials and the ability to form biofilms were strain-specific and, in certain cases, the response of some species was related to the isolation source. This was the first investigation of contaminant biofilms from sugarcane-based alcoholic fermentation on an industrial scale

A produção de etanol nas destilarias brasileiras é baseada na atividade fermentativa da levedura Saccharomyces cerevisiae que utiliza o caldo da cana-de-açúcar e/ou o melaço como substrato. Bactérias contaminantes da fermentação alcoólica competem com as leveduras pelos açúcares, afetando o rendimento do sistema produtivo e, consequentemente, causando perdas econômicas significativas às usinas. Biofilmes formados nos tanques de fermentação alcoólica agem como reservatórios de bactérias, contribuindo para contaminações persistentes e de difícil controle. Os biofilmes proporcionam aos seus habitantes certo grau de proteção contra diversas ameaças do meio, incluindo a ação dos antibióticos. Desta forma, o conhecimento da comunidade bacteriana dos biofilmes é fundamental para as medidas que visam o controle das contaminações na produção do bioetanol. No primeiro estudo, a composição e dinâmica da comunidade bacteriana foram determinadas pela análise de sequências do gene 16S rRNA de biofilmes com diferentes períodos de crescimento, correspondentes aos estágios iniciais de estabelecimento destes biofilmes dentro dos tanques de fermentação alcóolica Os resultados mostraram que estas comunidades foram compostas predominantemente pelas bactérias ácido-lácticas (LAB), com destaque para o gênero Lactobacillus. A visualização da estrutura dos biofilmes por microscopia eletrônica de varredura evidenciou que estes são formados por bactérias e leveduras (biofilmes mistos). No segundo estudo, a suscetibilidade aos antimicrobianos (monensina, virginiamicina e beta-ácido derivado do lúpulo) e a capacidade de formação de biofilmes em culturas puras foram avaliadas para isolados de Lactobacillus spp. provenientes de biofilmes (células sésseis) e de vinho bruto (células planctônicas) coletados dos tanques de fermentação. A partir dos resultados foi possível observar que as diferenças na suscetibilidade aos antimicrobianos e na habilidade de formar biofilmes foram estirpe-dependentes e que, em alguns casos, o perfil apresentado para algumas espécies mostrou-se relacionado à fonte de isolamento. Este foi o primeiro estudo sobre biofilmes contaminantes da fermentação alcoólica, em escala industrial, para a produção de etanol a partir da cana-de-açúcar / Bioethanol production in Brazilian distilleries is based on fermentative activity of the yeast Saccharomyces cerevisiae which uses sugarcane juice and/or molasses as a substrate. Bacterial contaminants of alcoholic fermentation compete with yeasts for sugars, affecting ethanol yield and consequently causing relevant economic losses to the fuel ethanol industry. Biofilms formed into fermentors act as bacterial reservoirs, contributing to persistent contaminations that are difficult to control. Biofilms provide a certain degree of protection for their inhabitants against some environmental threats, including antibiotics. Thus, understanding bacterial community within biofilms is essential for actions to control contaminations in bioethanol production. In the first study, composition and dynamic of bacterial community were determined by 16S rRNA gene sequences analysis of biofilms with different growth periods, corresponding to initial stages of biofilm establishment in fermentation tanks. Results showed that these communities were dominated by lactic acid bacteria (LAB), mainly of the genus Lactobacillus. Visualization of biofilm structure by scanning electron microscopy revealed a mixed-species biofilm composed by bacteria and yeasts. In the second study, susceptibility to antimicrobials (monensina, virginiamicina and beta-acids from hops) and capacity to form biofilm in pure culture were evaluated for Lactobacillus spp. isolated from biofilms (sessile cells) and wine (planktonic cells) collected from fermentors. The results showed that differences in the susceptibility to antimicrobials and the ability to form biofilms were strain-specific and, in certain cases, the response of some species was related to the isolation source. This was the first investigation of contaminant biofilms from sugarcane-based alcoholic fermentation on an industrial scale

The search for other sources of energy has encouraged the development of research and innovation in the production of biofuels, such as the second generation ethanol. Biomass from agricultural residues has advantages such as reuse, solves the disposal problem and also offers a low cost of production. In this context, this paper evaluates the best pretreatment (acid, alkaline and hydrothermal) waste from processing fruits (orange, passion fruit and soursop) to obtain bioethanol. The waste collected, stored at -20°C were thawed at room temperature, sanitized in 100 ppm sodium hypochlorite for 15 min and dried in an oven with air circulation at 55 ± 5°C until constant weight, ground and subsequently on a knife mill type Willye 30 mesh and packed in airtight plastic bottles at room temperature. Determinations of lipid, protein, moisture, ash, fiber, pectin and carbohydrate were performed. Pretreatments were designed according to experimental design where, for the acid, time 15 to 120 min, Cacid from 1 to 5% and Cbiomass 1 to 9%. For the alkali, it was used the same conditions as the acid, changing only the Cbasis, from 0.5 to 2.5%. For the hydrothermal only Cbiomass and time were evaluated. As answers, the mass yield, the amount of total reducing sugars (TRS) and total soluble solids in the liquid fraction. For the enzymatic hydrolysis it was employed cellulase Sigma-Aldrich in a 2:1 by enzyme mL:g pretreated biomass in 60 mL of 50 mM citrate buffer at 50°C and 100 rpm, evaluating the concentration of total reducing sugars. In ethanol fermentation, was used the hydrolyzate complemented with mineral solution and the yeast Saccharomyces cerevisiae, the main responses analyzed were ethanol concentration and yield of fermentation. The waste orange, passion fruit and soursop higher content of sugar in the liquor pretreatment occurred in the acid using low biomass concentration and longer pretreatment (65%), whereas at higher acid concentrations was sugars decreased, probably because undergo degradation. In alkaline pretreatment, was lower than the saccharification acid pretreatment (35%) and lower yields mass, indicating that some component of the lignocellulosic matrix was solubilized lignin probably characteristic of alkaline treatments. In hydrothermal there was the lowest saccharification liquor from both the pretreatment and in the enzymatic hydrolysis, possibly because the time and temperature used were not effective in destroying the lignocellulosic matrix. In enzymatic hydrolysis, alkali was more efficient than the acid, achieving, in the best conditions, around 35% of ART, except for the residue of passion fruit (<10% hydrolysis for the three pre-treatments), suggesting negative relationship between the amount of pectin and action of cellulases. The yield of fermentation behaved differently among trials for obtaining pre-treatment acid with shorter (15 minutes) the highest rates, while for these alkaline and hydrothermal stood in a longer time (120 min) pretreatment. These observations suggest that in the case of residual soursop optimizations must be carried out using lower heating times and higher biomass concentrations. However, for the orange peel and passion fruit residue, the intermediate condition seems to be more appropriate, and more efficient enzyme complexes and the presence of enzymes that break down pectin. / A busca por outras fontes de energia tem incentivado o desenvolvimento de pesquisas e a inovação na produção de biocombustíveis, a exemplo do etanol de segunda geração. A biomassa proveniente de resíduos agroindustriais apresenta como vantagens seu reaproveitamento, resolve o problema de descarte e, também, oferece um baixo custo de produção. Neste contexto, o presente trabalho avalia o melhor pré-tratamento (ácido, alcalino e hidrotérmico) de resíduos do processamento de frutas (laranja, maracujá e graviola) para a obtenção de bioetanol. Os resíduos coletados, armazenados em freezer a -20°C, foram descongelados à temperatura ambiente, sanitizados em hipoclorito de sódio 100 ppm por 15 min e secos em estufa de recirculação de ar a 55±5°C até peso constante, sendo posteriormente triturados em um moinho de facas do tipo Willye a 30 mesh e acondicionados em frascos plásticos herméticos à temperatura ambiente. Foram realizadas determinações de lipídios, proteínas, umidade, cinzas, fibra, pectina e carboidratos totais. Os pré-tratamentos foram idealizados de acordo com delineamentos experimentais, sendo para o ácido, tempo de 15 a 120 min, Cácido de 1 a 5% e Cbiomassa de 1 a 9%. Para o alcalino, utilizaram-se as mesmas condições do ácido, mudando apenas a Cbase, de 0,5 a 2,5%. Para o hidrotérmico, somente os tempos e Cbiomassa foram avaliados. Como respostas, o rendimento mássico, a quantidade de açúcares redutores totais (ART) e sólidos solúveis totais na fração líquida. Para a hidrólise enzimática, empregou-se celulase Sigma-Aldrich® na proporção 2:1, em mL enzima:g biomassa pré-tratada em 60 mL de tampão citrato 50 mM a 50°C e 100 rpm, avaliando-se a concentração de açúcares redutores totais. Na fermentação etanólica, empregou-se o hidrolisado, solução mineral e a levedura Saccharomyces cerevisiae, tendo como principais respostas a concentração de etanol e o rendimento da fermentação. Nos resíduos de laranja, graviola e maracujá as maiores sacarificações no licor do pré-tratamento ocorreram no ácido, utilizando-se menor concentração de biomassa e maior tempo de pré-tratamento (65%), ao passo que nas concentrações mais elevadas de ácido houve uma diminuição de açúcares, provavelmente porque sofreram degradação. No pré-tratamento alcalino, houve menor sacarificação que o ácido (35%) e menor rendimento mássico, indicando que algum componente da matriz lignocelulósica foi solubilizado, provavelmente a lignina, característica de tratamentos alcalinos. No hidrotérmico, houve a menor sacarificação tanto no licor do pré-tratamento quanto na hidrólise enzimática, possivelmente porque o tempo e temperatura usados não foram eficientes na destruição da matriz lignocelulósica. Na hidrólise enzimática, o alcalino foi mais eficiente que o ácido, conseguindo-se, nas melhores condições, em torno de 35% de ART, à exceção do resíduo do maracujá (< 10% de hidrólise para os três pré-tratamentos), sugerindo relação negativa entre quantidade de pectina e ação das celulases. O rendimento de fermentação se comportou de modo diverso entre os ensaios, obtendo-se para o pré-tratamento ácido com menor tempo (15 min) as maiores taxas, enquanto que para o alcalino e o hidrotérmico estas se situaram em um maior tempo (120 min) de pré-tratamento. Essas observações sugerem que, no caso do resíduo de graviola, as otimizações devem ser realizadas empregando menores tempos de aquecimento e maiores concentrações de biomassa. Entretanto, para o bagaço de laranja e resíduo de maracujá, a condição intermediária parece ser mais adequada, além de complexos enzimáticos mais eficientes e com a presença de enzimas que quebrem a pectina.

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In addition, between academic researchers and policy makers, natural resources’ intensive industries are encapsulated as commodities and low-tech, characterized by a limited opportunity for technological learning and accumulation of technological capabilities. However, the process of industrialization in natural resources’ intensive industries in regions such as Latin America is poorly understood and there are scarce research investigating the process of technological catch-up systematically in industrial level, with rare exceptions. Based on evidence from sugarcane bioethanol industry in Brazil, this research explores a process of technological catch-up that has received little attention in the literature. To examine this issue, this research adopts a qualitative design based on a case study strategy at industry level, with extensive fieldwork and collection of firsthand empirical evidence with long-term coverage on 20 organizations. This research found that: (1) The technological trajectory’s evolution of sugarcane bioethanol industry in Brazil was characterized by the opening of a different direction from that mapped by existing technology leaders. This qualitative shift process of the dominant technological trajectory started during the early stages of technology development. So, the industry went through a trajectory of early entry in path-creating; (2) The evolution of this technological trajectory did not happen in a homogeneous way. Were found three relatively distinct patterns of accumulation of technological capabilities for specific technological functions (or areas): feedstock, agricultural processes and industrial processes. In feedstock and industrial processes technological functions there an accumulation of technological capabilities of global leadership, while in the agricultural processes technological function the accumulation of technological capabilities has not evolved beyond the intermediate level; (3) These capabilities were accumulated in a disperse way among industry’s actors (producer firms, research institutes, universities, suppliers, biotechnology companies and etc.) and made possible the opening of exploration of new businesses, albeit modestly exploited; (4) The subtle heterogeneity found in the patterns of technological capabilities accumulation was influenced by a combination of technological learning processes used by the industry over time. Finally, the research also found that this technological trajectory contributed to generate significant implications and was also influenced by other factors. Nevertheless, these results deserve more systematic research effort. Therefore, this research concludes that relevant technological positions, especially for industries from emerging economies, can be achieved through technological trajectories that are not based necessarily on dominant technologies, already exploited by world leaders in advanced economies. Thus, alternative processes of catch-up may be highly relevant for obtaining industrial progress. Furthermore, the research concludes that natural resources’ intensive industries offer opportunities for significant innovations and can be protagonists in this alternative catch-up process, particularly in the context of countries with abundance of natural resources. Therefore, this research contributes to generate new evidence and explanations that help us expand the notion of alternatives to the industrial and economic development in the context of emerging economies. In the debate on industrial and economic development, alternative technological trajectories, as well as intensive industries in natural resources, should receive special attention by public policy makers and business actions. / Esta tese diz respeito ao desenvolvimento tecnológico e inovação em indústrias intensivas em recursos naturais no contexto de economias emergentes. A tese explora como a acumulação de capacidades tecnológicas e os mecanismos de aprendizagem influenciaram a trajetória tecnológica na indústria de bioetanol de cana-de-açúcar no Brasil, durante o período de meados da década de 1970 a 2014. Muito se avançou na compreensão do processo de catch-up tecnológico de empresas e indústrias de economias emergentes. Contudo, essas pesquisas geralmente exploram o processo de catch-up tecnológico relacionado às trajetórias tecnológicas já mapeadas pelos líderes mundiais em indústrias de manufatura e transformação. Parte desses estudos ignora que o desenvolvimento de atividades industriais poderia ocorrer em indústrias intensivas em recursos naturais. Além disso, indústrias intensivas em recursos naturais são geralmente encapsuladas como commodities e low-tech, caracterizadas por uma limitada oportunidade de aprendizagem tecnológica e acumulação de capacidades tecnológicas. Entretanto, o processo de industrialização em indústrias intensivas em recursos naturais em regiões como a América Latina ainda é pouco compreendido e são escassas as pesquisas que investigam o processo de catch-up tecnológico em nível de indústria, com raras exceções. Baseando-se em evidências da indústria de bioetanol do Brasil, esta pesquisa explora um processo de catch-up tecnológico que tem recebido pouca atenção na literatura. Esta pesquisa adotou um desenho qualitativo com base em uma estratégia de estudo de caso em nível de indústria, com extensivo trabalho de campo e coleta de evidências empíricas de primeira mão com cobertura de longo prazo em 20 organizações. Esta pesquisa encontrou que: (1) a evolução da trajetória tecnológica da indústria de bioetanol no Brasil caracterizou-se pela abertura de uma direção distinta daquela mapeada por líderes tecnológicos existentes. Esse processo de desvio qualitativo da trajetória tecnológica dominante iniciou durante os primeiros estágios de desenvolvimento tecnológico. Assim, a indústria percorreu uma trajetória de entrada precoce em path-creating; (2) a evolução dessa trajetória tecnológica não se deu de maneira homogenia. Foram encontrados três padrões relativamente distintos de acumulação de capacidades tecnológicas para funções (ou áreas) tecnológicas específicas: feedstock, processos agrícolas e processos industriais. Nas funções de feedstock e processos industriais, houve acumulação de capacidades tecnológicas de liderança mundial, enquanto na função processos agrícolas a acumulação de capacidades tecnológicas não evoluiu além do nível intermediário; (3) essas capacidades foram acumuladas de forma dispersa entre os atores da indústria (empresas produtoras, institutos de pesquisa, universidades, fornecedores, empresas de biotecnologia etc.) e possibilitaram a abertura de oportunidades de exploração de novos negócios, ainda que modestamente aproveitadas; e (4) a sutil heterogeneidade encontrada nos padrões de acumulação de capacidades tecnológicas foi influenciada pela combinação de mecanismos de aprendizagem tecnológica utilizados pela indústria ao longo do tempo. Por fim, constatou-se também que essa trajetória tecnológica contribuiu para gerar implicações significativas e foi também influenciada por fatores outros. Não obstante, esses resultados merecem esforço de investigação mais sistemático, uma vez que foram examinados aqui de forma superficial. Concluiu-se, portanto, que posições tecnológicas relevantes, especialmente por indústrias de economias emergentes, podem ser alcançadas por meio de trajetórias tecnológicas que não se baseiam, necessariamente, em tecnologias dominantes, já exploradas por líderes mundiais, de economias avançadas. Assim, os processos alternativos de catch-up podem ser altamente relevantes para a obtenção de progresso industrial. Ademais, a pesquisa concluiu que as indústrias intensivas em recursos naturais oferecem oportunidades para inovações significativas, e podem ser protagonistas nesse processo de catch-up alternativo, particularmente no contexto de países abundantes em recursos naturais. Assim sendo, esta pesquisa contribui para gerar novas evidências e explicações que nos ajudem a ampliar a noção de alternativas para o desenvolvimento industrial e econômico no contexto de economias emergentes. No debate sobre desenvolvimento industrial e econômico, as trajetórias tecnológicas alternativas, bem como as indústrias intensivas em recursos naturais, deveriam receber uma atenção especial por parte de decisores de políticas públicas e de ações empresariais.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4587.pdf: 3361282 bytes, checksum: edd6af651ca4211886714b86ca592b36 (MD5) Previous issue date: 2012-07-31 / Agência Nacional de Petróleo / Distillation of hydroalcoholic mixtures that result from the fermentative route of production of ethanol has been widely studied. Nonetheless, three points have not deserved special attention yet: the industrial fermentation intrinsic variability; the changes on the feed stream of the columns caused by the mixing of 1st (1G) and 2nd (2G) generation wines in the same biorefinery; and the alteration of the level in the buffer vat throughout the operation of the industrial plant. The two first aspects result in changes of the concentration of ethanol and other fermentation by-products, such as isoamyl alcohol in the buffer tank. The third aspect alters the flow impelled by the feed pumps and, consequently, changes the outlet temperature of the K heat exchanger (i.e. of the first column feed stream). In this work, the EMSO simulator (Environment for Modeling, Simulation and Optimization) was used to study transient perturbations of the columns operation, and the effect of wine composition in the buffer vat that will be pumped for distillation, with aid of a column model representing the distillation train A-A1-D. Reboiler and condenser temperatures and levels are controlled by PID loops, and the dynamic model of the tray column includes correlations (already implemented in EMSO) for liquid holdup, pressure drop in the tray, among other aspects. The gamma-phi approach, using UNIFACDortmund equation for the liquid phase non-ideality and SRK model for the vapour, was used to represent vapor-liquid equilibrium (VLE). Firstly, the dynamics of distillation of ethanol-water and ethanol-water-isoamyl alcohol mixtures was simulated, up to steady state. The EMSO steady-state results were very similar to Aspen-Pus® (7.3) simulations. Following, in order to closer represent the complexity of the real situation, a model of the centrifugal pump plus tabulation was inserted in EMSO, integrated to the K heat exchanger (that regenerates the energy of vinasse, pre-heating the column feed) and to the column itself. The main conclusions were: the presence of isoamyl alcohol influenced somehow the temperature and molar fractions transient profiles in the column, but the composition of the top stream was not sensibly affected. Changes of the liquid level in the buffer vat during the operation, following loadunload cycles, caused periodic perturbations in the system output variables (flows, temperatures and mol fractions of the process outflow), whose amplitude could be absorbed by the control system. Step perturbations in the buffer vat were simulated, with consistent responses, as assessed by the system global mass balance. Mixing wines with lower alcoholic contents, as the ones coming from the 2G process, causes effects that are dumped after one load-reload cycle of the vat. In long term, model responses indicate that, kept the reflux ratio and the top and bottom conditions in the column, the system gradually achieves stable operation points. / A destilação de misturas hidroalcoólicas que surgem no processo de produção de etanol por rota fermentativa tem sido bastante estudada. Contudo, três aspectos têm sido frequentemente relevados: a variabilidade inerente à fermentação, principalmente em ambiente industrial; a influência sobre a alimentação das colunas causada pela mistura de vinhos de primeira (1G) e segunda (2G) geração na mesma biorrefinaria; e a variação do nível da dorna volante ao longo da operação da destilaria. Os dois primeiros aspectos resultam em variações da concentração de etanol e de outros sub-produtos da fermentação (como o álcool isoamílico) na dorna volante. O terceiro aspecto promove alterações nas vazões das bombas de alimentação e consequentes oscilações na temperatura de saída do trocador K (ou seja, na alimentação da primeira coluna). Neste trabalho, utilizando o simulador EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization), estudou-se a natureza transiente das perturbações na operação das colunas, utilizando uma coluna modelo para representar o trem de destilação A-A1-D, bem como o efeito da composição do vinho na dorna volante a ser bombeado para a destilação. Temperatura e nível de refervedor e condensador são controlados por malhas PID, e a representação da dinâmica da torre de pratos inclui correlações (já implementadas no EMSO) para prever o acúmulo de líquido sobre o vertedouro, a perda de carga no prato, dentre outros aspectos. O equilíbrio líquido-vapor (ELV) foi representado pela abordagem gamma-phi, usando a correlação UNIFAC-Dortmund para a fase líquida, e o modelo SRK para a fase vapor. Em um primeiro momento foi estudado o processo dinâmico de destilação considerando o vinho composto por misturas etanol-água e etanolágua- álcool isoamílico com o transcurso de tempo suficiente para que fosse atingido o estado estacionário. Compararam-se as respostas do simulador EMSO com resultados estacionários obtidos no simulador de processos Aspen Plus® (versão 7.3) da Aspen Tech, observando-se bastante semelhança entre os resultados das simulações nas duas plataformas. Posteriormente, para melhor representar a complexidade da situação real, inseriu-se no EMSO modelo de bomba centrífuga e tubulação, interligando a dorna volante, o regenerador (trocador de calor K) responsável por pré-aquecer o vinho com a vinhaça efluente do fundo da coluna A, e a própria coluna. As principais conclusões foram: a consideração da presença de álcool isoamílico teve alguma influência nos perfis transientes de composição e temperatura ao longo da coluna, mas a composição de topo foi pouco afetada. A variação de nível da dorna durante a operação, em ciclos de esvaziamento/enchimento, causou perturbações cíclicas nas variáveis-resposta do sistema (vazões, temperaturas e frações molares dos efluentes do processo), cuja amplitude pode ser absorvida pelo sistema de controle. Perturbações degrau na dorna volante foram simuladas, com respostas consistentes nas simulações, como atestam os balanços globais de massa do processo. A mistura na dorna de vinho de menor teor alcoólico, eventualmente provindo do setor de etanol 2G, é absorvida após um ciclo de recarga da dorna. No longo prazo, as respostas do modelo indicam que, mantidas a razão de refluxo e as condições de topo de fundo da coluna, o sistema tende gradualmente a pontos de operação estável.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-07-12T16:36:39Z No. of bitstreams: 1 EZENILDO EMANUEL DA SILVA - TESE PPGEP 2012..pdf: 30485368 bytes, checksum: 31916cc22870963431b5d12069422e9a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-12T16:36:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EZENILDO EMANUEL DA SILVA - TESE PPGEP 2012..pdf: 30485368 bytes, checksum: 31916cc22870963431b5d12069422e9a (MD5) Previous issue date: 2012-06 / Atualmente, as pesquisas sobre os biocombustíveis de 2a geração, neste caso o etanol celulósico proveniente da biomassa tem-se apontado como o foco de diversas pesquisas no Brasil e no mundo. O etanol celulósico, normalmente, é produzido pela fermentação dos açúcares fermentecíveis obtidos por meio do processo de hidrólise ácida ou enzimática de materiais lignocelulósicos. Como matéria-prima para este processo químico, diversas biomassas encontram-se disponíveis, contudo, faz-se necessário a utilização de culturas que apresentem elevado teor de celulose, tenham baixo custo e que possam ser convertidos em açúcares fermentescíveis para posterior fermentação alcoólica. A utilização do bagaço do pedúnculo de caju para a produção de bioetanol visa o aproveitamento de uma cultura regional que apresenta cerca de 85% de desperdício. Devido a estrutura complexa desse material faz-se necessário submetê-lo à pré-tratamentos físicos e/ou químicos antes do processo de hidrólise para produção de etanol. O pré-tratamento visa à remoção da lignina e da hemicelulose, reduzindo a cristalinidade da celulose e aumentando a porosidade dos materiais para facilitar o processo de hidrólise, que pode gerar compostos tóxicos para o processo de fermentação alccolica, como furfural, hidroximetilfurfural (HMF) e ácido acético. Objetivou-se com este trabalho estudar a pré-hidrólise e hidrólise ácida da matéria-prima lignocelulósica bagaço do pedúnculo do caju {Anarcadium occidentale L.), remoção dos compostos tóxicos do licor hidrolisado usando a lignina residual como adsorvente, fermentação alcoólica dos licores para a produção de bioetanol de 2a geração com dois tipos de leveduras e estimativa da produção desse álcool a partir da matéria-prima em estudo. O bagaço de caju, com base na sua caracterização química e físico-química apresentou-se como uma fonte promissora de celulose, para a hidrólise ácida, visando a obtenção de bioetanol. No processo de pré-hidrólise, os resultados obtidos sugerem que as melhores concentrações de glicose, xilose e arabinose, são obtidos a 120 °C, concentração de ácido de 5% e razão mássica de bagaço de 1:6, sendo este processo eficaz na remoção da hemicelulose principalmente na extração da arabinose, e a temperatura a variável de maior influência na extração dessas pentoses. Para a hidrólise ácida o experimento realizado com as condições: temperatura de 200 °C, concentração de ácido igual a 6% e razão de 1:6, apresentou a combinação da maior concentração de açúcares com a mínima concentração de compostos tóxicos. Para o estudo de adsorção (destoxificação) dos congêneres furfural, hidroximetilfurfural (HMF) e ácido acético pela lignina residual do processo de hidrólise, teve o pH como a variável de maior influência visando a remoção desses compostos no licor. O estudo da fermentação alcoólica dos licores hidrolisados com os dois tipos de leveduras, apresentou-se a linhagem de Saccharomyces cerevisiae comercial com maior eficiência fermentativa em qualquer dos processos fermentativos estudados (3 tratamentos). O rendimento e a eficiência do processo de obtenção de etanol celulósico a partir do processamento do bagaço do pedúnculo do caju, o máximos obtido foi respectivamente de 0,445 g de etanol/g de bagaço e 87,\% para o licor hidrolisado com a adição do suco de caju. / At present, researches about the second generation biofuels; in this case, the cellulosic ethanol extracted from biomass, has been appointed as the focus of several studies in Brazil and all over the world. The cellulosic ethanol is generally produced by fermentation of fermentable sugars that are obtained using the process of acid or enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials. As raw material for this chemical process, several biomass are available, however, it is necessary to use cultures that have high cellulose content, low cost and it could be converted into fermentable sugars. The use of the cashew bagasse for the production of bioethanol allows the use of a regional culture that has about 85% of waste. Due to the complex structure of this material, it is necessary to submit it to the pre-treatment physical and/or chemicals before the process of hydrolysis for ethanol production. Pre-treatment, usually, is used to remove the lignin and hemicellulose, reduce cellulose crystallinity and increase the porosity of the materials. The objective of this work was to study the pre-hydrolysis and acid hydrolysis of lignocellulosic raw cashew bagasse peduncle (Anarcadium occidentale L.), removal of toxic compounds from the liquor hydrolyzate using the residual lignin as adsorbent, alcoholic fermentation of liquors for the production of second generation bioethanol with two types of yeast and alcohol production estimate this from the raw material under study. The cashew bagasse, based on their chemical characterization and physical chemistry, presented himself as a promising source of cellulose to hydrolysis, in order to produce bioethanol. In the process of pre-hydrolysis, the results obtained suggest that the best concentrations of glucose, xylose and arabinose, are obtained at 120 ° C, acid concentration of 5% and a weight ratio of 1:6 bagasse, this process was effective in the removal of hemicellulose mainly in the extraction of arabinose and the temperature was variable of bigger influence in the extraction of pentose. For the acid hydrolysis done with the following hydrolysis conditions: temperature 200 °C, acid concentration equal to 6% and ratio of 1:6 has the combination of the highest concentration of sugars with a minimum concentration of toxic compounds. In the study by adsorption (detoxification) congeners of furfural, and hydroxymethylfirrfural (HMF) and acetic acid by the residual lignin in the hydrolysis process, it had the pH as the variable of major influence in order to remove the compounds in the liquor. The kinetics study of the alcoholic fermentation of the hydrolyzed liquor to the two types of yeast, the strain of Saccharomyces cerevisiae trade was efficient fermentation than in any of the fermentations studied (three treatments). The yield and efficiency of production of ethanol from cellulosic pulp of processing stalk cashew maximum dry were respectively 0.445 g ethanol/g of pulp and liquor to 87.1% hydrolyzed with the addition of cashew apple juice.

Submitted by Bruna Rodrigues (bruna92rodrigues@yahoo.com.br) on 2017-10-16T11:32:32Z No. of bitstreams: 1 TeseTSSM.pdf: 23662587 bytes, checksum: 4ef26b2b65e46560d905cc700258cd0d (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (producaointelectual.bco@ufscar.br) on 2017-10-31T16:29:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseTSSM.pdf: 23662587 bytes, checksum: 4ef26b2b65e46560d905cc700258cd0d (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (producaointelectual.bco@ufscar.br) on 2017-10-31T16:29:42Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseTSSM.pdf: 23662587 bytes, checksum: 4ef26b2b65e46560d905cc700258cd0d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-31T16:41:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseTSSM.pdf: 23662587 bytes, checksum: 4ef26b2b65e46560d905cc700258cd0d (MD5) Previous issue date: 2017-03-30 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / In ethanol production process from hemicellulosic fraction, the use of xylooligomers (XOS) as substrate reduce the contamination risk, favoring its application at industrial scale. Thus, a biocatalyst, containing xylanases, xylose isomerase (XI) and yeast co-immobilized in calcium alginate gel, was developed and XOS simultaneous hydrolysis, isomerization and fermentation (SHIF) process was studied. Firstly, xylanases from Multifect CX XL A03139 (XAS-5), a commercial enzyme preparation, and the recombinant xylanase from Bacillus subtilis (XynA) were selected to compose biocatalyst beads. XAS-5 presented better conversion (78.7%) and higher xylose production in the hydrolysis of beechwood xylan, while XynA showed exclusive endoxylanase activity. The immobilization and stabilization of XynA were performed in chitosan-glutaraldehyde, chitosan-glyoxyl and agarose-glyoxyl. Although the enzyme was efficiently immobilized on all supports, the agarose-glyoxyl-XynA derivative was notable for exhibiting remarkable stabilization under tested conditions (8600 times). Studies of SHIF process were carried out with birchwood xylan, leading to ethanol production (0.160 g/g and 0.092 g/L.h) and xylose accumulation, which indicated XI activity decrease. Further experiments were then performed to to identify possible inhibitors of XI (pH, Ca2+, Mg2+ and xylooligosaccharides). Ca2+ was identified as an inhibitor, while Mg2+ acts as an activator of the enzyme, and both actions are potentiated at acidic pHs. XI is also inhibited by XOS, with a decrease of 31.6% in XI activity in the presence of 7.0 g/L of xylobiose. For this reason, it was decided to evaluate SIF process with a recombinant yeast, capable of expressing XI. In batch runs, GSE16-T18 (T18) yeast encapsulated in alginate gel was capable to ferment xylose efficiently, consuming 40 g/L of xylose in 4 h and producing 14.4 g/L of ethanol, with yield of 0.422 g/g and productivity of 3.61 g/L.h. Calcium alginate gel encapsulation also contributed to protect yeast from the action of inhibitors, such as acetic acid. The encapsulated T18 was able to perform 10 consecutive cycles in repeated batch (yeast extract-peptone medium with 40 g/L of xylose), keeping the same productivity and high yields. It also fermented efficiently sugarcane bagasse hydrolysate, containing 60 g/L of fermentable sugars and high grade of inhibitors. The modified yeast to be more tolerant to acetic acid, GSE16-T18 HAA1, was also studied, exhibiting superior performance in comparison to T18 for hydrolysate fermentations. Continuous experiments were conducted in a fixed bed reactor using the T18-HAA1 yeast immobilized, with different xylose concentrations (40, 60, 80 and 120 g/L) in the feed medium. The reactor was operated up to 15 days, without bacterial contamination, with yield of 0.45 g/g, productivity of 4.8 g/L.h and selectivity of 31 gethanol/gxylitol (60 g/L of xylose in the feed). For the concentrations higher than 60 g/L, the conversion decreased after 4 days of continuous operation, indicating loss of cell viability due to hazardous effect of ethanol when present at 30 g/L or more, as well as limitation of oxygen and nutrients in the system. / No processo de produção de etanol a partir da fração hemicelulósica, a utilização de xilooligômeros como substrato reduz o risco de contaminação, favorecendo o emprego da tecnologia em escala industrial. Para isso, um biocatalisador contendo xilanases, xilose isomerase (XI) e levedura co-imobilizadas em gel de alginato de cálcio foi desenvolvido e o processo de hidrólise, isomerização e fermentação simultâneos (SHIF) de xilooligômeros foi estudado. Primeiramente, as xilanases presentes no produto Multifect CX XL A03139 (XAS- 5) e a xilanase recombinante de Bacillus subtilis (XynA) foram selecionadas para compor os beads do biocatalisador. XAS-5 apresentou melhor conversão (78,7%) e maior produção de xilose na hidrólise da xilana de faia, enquanto XynA apresentou exclusiva atividade de endoxilanase. Realizou-se a imobilização e estabilização da XynA em quitosanaglutaraldeído, quitosana-glioxil e agarose-glioxil. Apesar da enzima ser eficientemente imobilizada nos três suportes, o derivado agarose-glioxil-XynA se destacou por apresentar uma estabilização notável nas condições testadas (8600 vezes). Estudos do processo SHIF foram realizados com xilana de bétula, observando-se produção de etanol (0,160 g/g e 0,092 g/L.h) e acúmulo de xilose, indicando redução da atividade da XI. Realizou-se então, um estudo para identificar possíveis inibidores da XI (pH, Ca2+, Mg2+ e XOS), constatando-se que Ca2+ é um inibidor enquanto Mg2+ é um ativador da enzima, sendo suas ações potencializadas em pHs ácidos. Comprovou-se também que XI é inibida por XOS, observando-se queda da atividade de XI (31,6%) na presença de 7,0 g/L de xilobiose. Desta forma, tornou-se interessante avaliar o processo SIF com uma levedura recombinante, capaz de expressar XI. Em ensaios em batelada, a levedura GSE16-T18 (T18), encapsulada em gel de alginato, mostrou-se eficiente na fermentação de xilose, consumindo 40 g/L de xilose em 4 h e produzindo 14,4 g/L de etanol, com rendimento de 0,422 g/g e produtividade de 3,61 g/L.h. O encapsulamento em gel de alginato de cálcio também protegeu a levedura da ação de inibidores, como o ácido acético. A T18 encapsulada foi capaz de realizar 10 ciclos consecutivos em bateladas repetidas (meio contendo extrato de levedura, peptona e 40 g/L de substrato), mantendo mesma produtividade e elevado rendimento, além de fermentar eficientemente hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana, contendo 60 g/L de açúcares fermentescíveis e alto teor de inibidores. A levedura GSE16-T18 HAA1, modificada geneticamente para ser mais tolerante ao ácido acético, foi também estudada, com resultados superiores a T18 nas fermentações de hidrolisado. Fermentações em modo contínuo foram realizadas em reator de leito fixo utilizando a levedura T18-HAA1 imobilizada, com diferentes concentrações de xilose na alimentação (40, 60, 80 e 120 g/L). O reator foi operado por até 15 dias, sem ocorrência de contaminação por bactérias, com rendimento 0,45 g/g, produtividade em etanol de 4,8 g/L.h e seletividade de 31 getanol/gxilitol (60 g/L de xilose na alimentação). Para as concentrações superiores a 60 g/L, a conversão diminuiu após 4 dias de operação contínua, indicando perda de viabilidade celular devido à ação do etanol quando presente em concentrações acima de 30 g/L e da limitação de oxigênio e nutrientes no sistema.

Made available in DSpace on 2016-08-17T18:39:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4514.pdf: 2385637 bytes, checksum: 89b533535415a993d655f83f1387c6f0 (MD5) Previous issue date: 2012-06-27 / Financiadora de Estudos e Projetos / The selection of cellulase-producing fungi is one of the possible estrategies for obtaining necessary enzymes to hydrolyze the lignocellulosic material of plant biomass and thereby contribute to the viability of cellulosic ethanol production. The aim of this study was achive a screening of isolated fungi from the Amazon region to assess the production of enzymes related to plant biomass degradation, in order to select a line for production, purification and biochemical, kinetical and and structural biology characterizationof the ß-Galactosidase enzyme. Therefore, this work was undertaken in three stages, first of all it was performed a screening of 40 fungal strains isolated from the Amazon region through the cultivation in solid state fermentation (FES) at 35ºC for 240 hours, using as substrate wheat bran. It was evaluated the production of xylanase, endoglucanase, FPase, pectinase, ß-Glicosidase and total protein, and the fungi that stood out were: P6B2, the best producer of xylanase, P47C3 (Aspergillus niger), the best producer endoglucanase and ß-Glicosidase and P40B3, the best producer of FPase. These three fungi were selected for the second phase of this work for assessment in the production of xylanase, FPase, endoglucanase, ß-Glicosidase and total protein by submerged fermentation (FSm). The fermentation took place for 5 days at 30ºC and 200 rpm with a source of carbon: 1% of wheat bran washed and nutrient medium. The fungi P47C3, which was identified as Aspergillus niger, showed the best production of these enzymes, being selected for the third stage of this project. This last step involved the selection of an enzyme that has not been elucidated its structural biology. Given this fact, we carried out a study of selection of the medium, purification and biochemicalkinetical characterization of ß-Galactosidase. The Aspergillus niger (P47C3) was subjected to submerged for 5 days at 200 rpm at 30ºC. Purification occured in three steps using: ion exchange column SP-Sephadex C-50 and SP TSK-5PW column, and gelfiltration, with the resin Sephacryl S-200. The enzyme ß-Galactosidase showed a molecular weight of 125 kDa, being stable at pH 4,0, with anoptimum temperature of 55ºC. It was evaluated theKmap e Vmáxap of two substrates, PNPG and lactose, being: 2,204 mM-0,285 mM/min and 2,101 mM-0,75mM/min, respectively. The inhibition of hydrolasis of the substrate PNPG by ß-Galactosidase in the presence of galactose inhibitor product showed a Ki value of 5,01 mM. Finally, the ß-Galactosidase was subjected to crystallization conditions, the best conditions occurred in buffer 0,2M Tris- HCl, with the precipitation agent, 12% PEG 4000 at pH 8,6. Therefore, the unpublished protocol for purification of ß-Galactosidase was efficient and it is possible to crystallize this enzyme of isolated fungi from the Amazon region, which showed great potencial for the production of this enzyme and that the future can be used in industrial application and biotechnological innovations. / A seleção de fungos produtores de celulases é uma das possíveis estratégias para a obtenção das enzimas necessárias para hidrolisar o material lignocelulósico da biomassa vegetal e com isso contribuir para a viabilização da produção de etanol celulósico. O objetivo desse trabalho foi realizar um screening dos fungos isolados da região amazônica para a avaliação da produção de enzimas relacionadas à degradação da biomassa vegetal, a fim de selecionar uma linhagem para produção, purificação e caracterização bioquímica, cinética e biologia estrutural da enzima ß-Galactosidase. Dessa forma, esse trabalho foi realizado em três etapas, primeiramente foi realizado um screening de 40 linhagens fúngicas isoladas da região amazônica, através do cultivo em fermentação em estado sólido (FES), a 35°C, por 240 horas, utilizando como substrato o farelo de trigo. Avaliou-se a produção de xilanase, endoglucanase, FPase, pectinase, ßglicosidase e proteínas totais, sendo que os fungos que mais se destacaram foram o: P6B2, melhor produtor de xilanase, P47C3 (Aspergillus niger), melhor produtor de endoglucanase e ß-glicosidase e o P40B3, melhor produtor de FPase. Esses três fungos, foram selecionados para a segunda fase do trabalho para avaliação na produção de xilanase, FPase, endoglucanase, ß-glicosidase e proteínas Totais por fermentação submersa (FSm). A fermentação ocorreu por 5 dias, à 30ºC e 200 rpm tendo como fonte de carbono: 1% de farelo de trigo lavado e meio nutriente. O fungo P47C3, identificado como Aspergillus niger, apresentou melhor produção dessas enzimas, sendo selecionado para a terceira etapa desse projeto. Essa última etapa, envolveu a escolha de uma enzima que não estivesse sua biologia estrutural elucidada. Diante desse fato, realizou-se um estudo de seleção do meio de cultivo, purificação e caracterização bioquimico-cinética da ß-Galactosidase. O fungo Aspergillus niger (P47C3) foi submetido a fermentação submersa, durante 5 dias, à 200 rpm em 30ºC. A purificação ocorreu em três etapas utilizando: colunas de troca iônica SP - Sephadex C-50 e a coluna SP -TSK 5PW; e gel filtração, com a resina Sephacryl S-200. A enzima ß-Galactosidase apresentou uma massa molecular de 125 kDa, sendo estável em pH 4,0, e com temperatura ótima de 55ºC. Avaliou-se a Kmap e Vmáxap de dois substratos, o PNPG e a lactose, sendo: 2,204 mM - 0,285 mM/min e 2,101 mM 0,750 mM/min, respectivamente. A inibição da hidrólise do substrato PNPG pela ß-Galactosidase na presença do produto inibidor galactose apresentou um valor de Ki de 5,01 mM. Por fim, a ß-Galactosidase foi submetida a condições de cristalização, as melhores condições ocorreram em tampão 0,2M Tris-HCl, tendo como agente precipitante, PEG 4000 12% em pH 8,6. Portanto, o protocolo inédito de purificação da ß-Galactosidase foi eficiente, sendo possível cristalizar essa enzima do fungo isolado da região amazônica, o qual apresentou grande potencial para a produção dessa enzima e que futuramente possa ser utilizado em aplicações industriais e inovações biotecnológicas.