Det pågår ständigt forskning på att göra bioetanolen till ett mer konkurrenskraftigt bränsle gentemot fossila bränslen. Flera försök till att optimera processen både ekonomiskt och energimässigt görs i flera länder världen över. I detta examensarbete har den filamentösa svampen Neurospora intermedia odlats i tunndrank som är en restprodukt från bioetanolsproduktionen. Olika utspädningar på tunndranken har använts för att se vilken som producerar mest bioetanol. Enligt detta examensarbete produceras det mest bioetanol när N. intermedia odlas i 50 % utspädd tunndrank. När den optimala utspädningen hade hittats prövades det vilken tid under odlingen som N. intermedia producerade den högsta koncentrationen bioetanol. Efter 39 timmar hade det producerats 4,34 g/l bioetanol och det var även vid denna tidpunkt som biomassan hade de bästa protein- och RNA-innehållen för att kunna torka biomassan och producera djurfoder till lantbruket.

Atualmente, o aquecimento global, a deterioração ambiental, a eminente escassez das limitadas reservas de combustíveis fósseis e a forte demanda e dependência da matriz energética mundial face a esses combustíveis constituem sérias ameaças à sustentabilidade do desenvolvimento mundial, o que se têm revertido a favor de um crescente interesse por fontes alternativas de energia renováveis, dentre os quais a biomassa lignocelulósica se destaca como uma das mais promissoras. Neste contexto, a produção de etanol a partir do bagaço de cana-de-açúcar pela via enzimática e bioquímica se apresenta como uma das mais oportunas alternativas para a produção integrada e sustentável de biocombustível visando otimização de recursos, redução de resíduos e minimização de impactos ambientais nefastos. Todavia, o desenvolvimento de um pré-tratamento eficaz, a par da produção de enzimas hidrolíticas, constitui a chave para a viabilização da produção de etanol a partir de lignocelulósicos. Assim sendo, o propósito deste trabalho foi determinar os efeitos produzidos pelo pré-tratamento hidrotérmico catalisado com sulfito sobre a composição química do bagaço de cana e correlacionar esses valores com a eficiência da sacarificação enzimática e fermentabilidade do hidrolisado obtido desse bagaço. Após caracterização química inicial, o bagaço in natura foi pré-tratado com sulfito neutro e alcalino e verificou-se que a celulose foi recuperada quase que integralmente nas frações sólidas da reação. Por seu turno, as xilanas obtiveram solubilizações máximas de 72,0% e 35,4% enquanto a deslignificação máxima foi de 43,5% e 76,7%, para as reações catalisadas com sulfito neutro e sulfito alcalino respectivamente. Verificou-se maior efetividade do sulfito alcalino no enriquecimento de carboidratos no bagaço pré-tratado bem como uma maior deslignificação, pelo que, foi escolhido para as etapas seguintes do projeto. A partir de um planejamento fatorial 33, foram obtidos substratos pré-tratados que levaram aos máximos de sacarificação enzimática de 79,91% e 70,69% para celulose e xilanas, respectivamente, utilizando 10 UPF de celulases e 10 UCB de ?-glucosidase. Pela análise do rendimento global de glucanas foi definida a condição ótima para o prétratamento empregando 10% (m/m) de sulfito alcalino a 150ºC, por 30 min, o que foi corroborada pela análise estatística. Hidrolisados enzimáticos de bagaços pré-tratados em condições otimizadas foram fermentados a etanol com eficiência de, praticamente, 100% pela Saccharomyces cerevisiae PE-2 e 80,41% pela Scheffersomyces (Pichia) stipitis CBS 5773. Para as duas leveduras, os parâmetros fermentativos do hidrolisado foram em tudo semelhantes aos verificados para os meios semissintéticos contendo glicose e xilose puras. Conclui-se assim, que o pré-tratamento adotado neste trabalho apresentou grande potencialidade em gerar substratos com alta digestibilidade enzimática e hidrolisados tão fermentáveis quanto meios semissintéticos. / Currently, global warming, environmental degradation, imminent shortage of limited fossil fuel reserves and an intense demand and dependence of global energy on these fuels constitute serious threats to the sustainability of world development, which have led to a growing interest in alternative sources of renewable energy, among which lignocellulosic biomass stands out as one of the most promising. In this context, the production of ethanol from sugarcane bagasse by enzymatic and biochemical routes appears as the most promising alternative for integrated and sustainable production of biofuel aiming resource optimization, waste reduction and mitigation of adverse environmental impacts. However, the development of an effective pretreatment, as well as the production of hydrolytic enzymes, is the key to enabling the production of ethanol from lignocellulosics. Therefore, the purpose of this study was to determine the effects of hydrothermal pretreatment catalyzed by sulfite on the chemical composition of sugarcane bagasse and establish a correlation of these values with the efficiency of enzymatic saccharification and fermentability of these bagasse hydrolyzate. After the initial chemical characterization, the bagasse was pretreated with neutral and alkaline sulfite and was found that cellulose was almost fully recovered in the solid fraction of the reaction. In turn, xylan obtained its maximum solubilization of 72.0% and 35.4% while the maximum delignification was 43.5% and 76.7%, for the reactions catalyzed by neutral and alkaline sulfite, respectively. The alkaline sulfite was found more effective for carbohydrates enrichment in the pretreated bagasse and led to a greater delignification, therefore, it was chosen for the following stages of the project. From a 33 full factorial experiments were obtained pretreated substrates which led to maximum enzymatic saccharification of 79.91% and 70.69% for cellulose and xylans, respectively, using 10 FPU cellulases and 10 CBU ?- glucosidase. By analysis of the glucans overall yield the optimal condition for the pretreatment has been defined as 10% (w/w) alkaline sulfide at 150°C for 30 min, which was confirmed by statistical analysis. Enzymatic hydrolysates of bagasse pretreated in optimized conditions were fermented into ethanol with efficiency of virtually 100% by Saccharomyces cerevisiae PE-2 and 80.41% by Scheffersomyces (Pichia) stipitis CBS 5773. For both yeasts, the hydrolyzate fermentation parameters were at all similar to those seen for the semisynthetic media containing pure glucose and xylose. Therefore, we concluded that the pre-treatment used in this work showed great potential to generate substrates with high enzymatic digestibility and hydrolysates as fermentable as semisynthetic media.

O presente trabalho teve por objetivo avaliar condições de imobilização da levedura Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 pelo método do aprisionamento em gel de alginato de cálcio visando à produção de bioetanol em biorreator STR tipo cesta à partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar. Primeiramente, realizou-se as etapas de obtenção, destoxificação e caracterização do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar. Realizou-se em seguida um screening objetivando a seleção de um meio de cultivo adequado para a produção de etanol por esta levedura. O meio escolhido foi aquele onde se suplementou o hidrolisado com extrato de levedura (3,0 g/L), peptona (5,0 g/L), (NH4)2SO4 (2,0 g/L) e CaCl2 (0,1 g/L), onde verificou-se um fator de conversão de xilose à etanol (Yp/s) de 0,33 g/g. As condições de imobilização da levedura foram então avaliadas por planejamento fatorial 23 completo onde os fatores concentração de alginato de sódio, concentração do cloreto de cálcio e tempo de cura foram investigados. Após a análise estatística, as condições 2% de alginato de sódio, 0,1M de cloreto de cálcio e tempo de cura de 12 horas foram fixadas para as etapas seguintes. Nestas condições, avaliou-se então a influência da concentração de células à serem imobilizadas e agitação durante a fermentação a partir de um planejamento fatorial 22 completo, definindo-se assim 10 g/L de células e 100 rpm como condições ideais. Após a determinação das condições de imobilização do processo, verificou-se a estabilidade das células imobilizadas em repetidos ciclos fermentativos, para isso cinco bateladas repetidas em frascos Erlenmeyer foram realizadas. Observou-se que apesar da levedura assimilar xilose e produzir etanol em todos os ensaios, uma diminuição na eficiência da fermentação foi verificada, diminuindo em 24% da terceira para a quarta batelada, indicando assim que a levedura imobilizada era viável para o sistema de batelada repetida em até 3 ciclos nas condições estudadas. Iniciou-se então ensaios fermentativos em biorreator STR tipo cesta, realizando-se ensaios em meio sintético e em hidrolisado hemicelulósico. Observou-se reprodutibilidade nos ensaios utilizando os diferentes meios, com um valor de Yp/s de 0,21g/g e uma produtividade volumétrica de 0,15 g/L.h em ambos os ensaios. Fermentações em sistema de bateladas repetidas foram realizadas neste biorreator STR tipo cesta. Realizou-se cinco ciclos consecutivos, ao final dos quais observou-se comportamento semelhante às bateladas repetidas realizadas em frascos Erlenmeyer, na qual a partir de três ciclos a capacidade fermentativa da levedura S. stipitis diminuiu, apresentando uma produtividade volumétrica em torno de 0,16 g/L.h nas três primeiras bateladas. O gel de alginato de cálcio apresentou considerável estabilidade em sistema de bateladas repetidas indicando a possibilidade de sua utilização nesse processo. Embora os resultados obtidos neste trabalho sejam inferiores aos observados com células livres por outros autores, os mesmos demonstraram o potencial do emprego do gel de alginato de cálcio e da levedura Scheffersomyces stipitis imobilizada para a produção de bioetanol a partir de bagaço de cana-de-açúcar e contribuíram para os conhecimentos sobre a fermentação de hidrolisado hemicelulósico à etanol. / This study aimed to evaluate immobilization conditions for the yeast Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 entrapped in calcium alginate gel in basket type of STR bioreactor for ethanol production from sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysate. For this purpose, first the steps to obtain the hydrolysate by dilute acid pretreatment, detoxification and characterization of hydrolysate was performed. Then, a screening aiming the selection of a suitable culture medium suitable for ethanol production by this yeast was carried out. The medium which showed maximum ethanol production (Yp/s, 0.33 g/g) was selected to continue the further studies. It was composed by the hydrolyzate supplemented with yeast extract (3.0 g/L), peptone (5.0 g/L), (NH4)2SO4 (2.0 g/L), CaCl2 (0.1g/L). The immobilization conditions of the yeast were then evaluated through a 23 factorial design where the three process variables i.e. concentration of sodium alginate, concentration of calcium chloride and reaction time were investigated. After statistical analysis, the optimum set of conditions (2% of sodium alginate, 0.1 M of calcium chloride and a reaction time of 12 hrs) were set to perform the following steps of this study. Subsequently, the influence of the cell concentration for immobilization and agitation during fermentation were studied considering a factorial design 22. This study revealed that 10 g/L of cells and 100 rpm were the optimum conditions for ethanol production via immobilized systems. After determination of the conditions for immobilization procedure, the stability of the immobilized cells were evaluated by repeated fermentation cycles, for that five repeated batches were performed in Erlenmeyer flasks. It was observed that despite the yeast assimilates xylose and produces ethanol in all assays, a decrease in the efficiency of the fermentation was verified from the third batch, revealing the 65% efficiency in the second batch and 39% in the fourth batch. This behavior indicates that the immobilized yeast is viable for repeated batch system only up to 3 cycles under the employed conditions. Fermentation tests in basket type STR bioreactor were carried out using synthetic medium and hemicellulosic hydrolysate as carbon source. Reproducibility was observed in assays using the different medium with ethanol yield (Yp/s) of 0.21 g/g and a volumetric productivity of 0.15 g/L.h in both assays. Fermentation assay in repeated batch system were carried out in STR basket type bioreactor. Five consecutive fermentation cycles were performed which eventually showed the similar behavior with the repeated batches conducted in Erlenmeyer flasks. The fermentative efficiency of the yeast S. stipitis was considerably good up to three cycles with a volumetric productivity of 0.16 g/L.h followed by a concomitant down fall. The calcium alginate gel showed a considerable stability in the experiments, indicating the viability of its application in repeated batch system. Although the results of this work are inferior to that observed by other authors using free cells, the calcium alginate gel potential is evident and the yeast Scheffersomyces stipitis showed to be capable to produce ethanol in immobilized form, contributing with knowledge for second generation ethanol production from sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysate adopting biochemical platform.

Resíduos celulósicos por erem ricos em celulose e hemicelulose estão sendo apontados como promissoras fontes para a produção de etanol. Com isso, este trabalho tem como objetivo hidrolisar e fermentar resíduos celulósicos visando a produção de etanol. Para estudo da hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar, foram isolados 22 fungos da cidade de Araras-SP e estes testados para produção de endoglucanases (EG). Foram testadas temperatura e pH ótimos, diferentes tampões, estabilidade do coquetel e influência de sais, EDTA e ?-mercaptoetanol para lacase, xilanase, endo-?-1,4-glucanase, celobiohidrolase I, ?-glucosidase e glucoamilase. As condições padronizadas para aplicação do coquetel enzimático foi 55ºC, tampão citrato de sódio 50 mM e pH 5,0. Para elaboração do coquetel enzimático foi realizado um Plackett-Burman seguido de um delineamento composto central rotacional, em que as condições padronizadas para aplicação foram (U/g de bagaço de cana-deaçúcar): 0,122 de lacase; 7 de xilanase; 5 de endoglucanase; 14 de celobiohidrolase e 9 de ?-glucosidase. Foram liberados 4,405 µmol de açúcares redutores por mL, após 48 horas de hidrólise do bagaço a 55ºC, em tampão citrato de sódio 50 mM (7 mL), pH 5,0, agitação de 110 rpm. O hidrolisado obtido foi fermentado pelas leveduras Saccharomyces cerevisiae PE-2 e Meyerozyma guilliermondii 311 (CCT7783), separadamente e em cultivo misto, averiguando a necessidade de suplementação do meio, para a produção de etanol. Os resultados mostraram a necessidade de suplementação para aumento da viabilidade das leveduras. Observou-se que a suplementação manteve a viabilidade acima de 90%. A fermentação com Meyerozyma guilliermondii 311 (CCT7783), sem a necessidade de suplementação, possibilitou a produção de 12,66% de etanol; com a Saccharomyces cerevisiae a produção de etanol foi de 7,03%, quando o meio foi suplementado com 3 g/L de extrato de levedura. A fermentação com cultura mista produziu 0,53% e 1,18% de etanol em 24 e 48 horas de cultivo, respectivamente. Para aplicação enzimática na hidrólise do lodo branco foram utilizadas amilase de Aspergillus carbonarius e celulase comercial. Os produtos de hidrólise enzimática do lodo branco detectados HPLC mostraram a formação de glicose, xilose e traços de maltose. A viabilidade celular da levedura Saccharomyces cerevisiae durante a fermentação se manteve bastante elevada, acima de 95 %. A fermentação do lodo branco, quando o meio foi suplementado com 3g/L de extrato de levedura, foi considerada satisfatória, com 2,37 g/L de etanol. Foram realizadas análise de superfície por ion-tof e microscopia eletrônica de varredura nos resíduos celulósicos. Desta maneira, com este trabalho foi possível estudar a importância da aplicação de enzimas fúngicas para degradação de biomassa lignocelulósica para produção de etanol de segunda geração. / As cellulosic wastes are rich in cellulose and hemicellulose they have been pointed as promising sources for ethanol production. Thereby, this work aimed to hydrolyze and ferment cellulosic residues to produce ethanol. In order to study the hydrolyzes of sugar-cane bagasse and ferment the sugars obtained from this process, twenty-two fungi were isolated in the city of Araras-SP and tested for endoglucanase (EG) production. Aiming to optmize an enzyme cocktail, variables as temperature, optimum pH, different buffers, stability, salt influence, EDTA and ?-mercaptoethanol were tested for laccase, xylanase, endo- ?-1,4-glucanase, cellobiohydrolase I, ?-glucosidase and glucoamylase. The standard conditions for applying the enzyme cocktail were 55°C, sodium citrate buffer 50 mM pH 5.0. For the preparation of the enzyme cocktail a Plackett-Burman was made followed by a central composite design, in which the standard conditions for application were (U/g of sugarcane bagasse): 0.122 of laccase; 7 of xylanase; 5 of endoglucanase; 14 of cellobiohydrolase and 9 of ?-glucosidase per gram of sugarcane bagasse. After 48 hours of hydrolyzes in the following conditions, 55ºC, sodium citrate buffer 50 mM (7 mL), pH 7.0, 110 rpm, 4.405 µmol of reducing sugar per mL were released. The hydrolyzate obtained was separately fermented by the yeasts Saccharomyces cerevisiae PE-2, Meyerozyma guilliermondii 311 (CCT7783) and with both yeasts in a mixed cultivation, in order to investigate the need of medium supplementation for ethanol production. The results showed the need of supplementation to increase the viability of the yeasts. It was observed that this procedure kept the viability over 90%. The fermentation with Meyerozyma guilliermondii 311 (CCT7783), without supplementation, allowed the production of 12.66% of ethanol and with Saccharomyces cerevisiae the production was 7.03% with a supplementation of 3 g/L of yeast extract. The fermentation with mixed cultivation produced 0.53% and 1.18% in 24 and 48 hours of cultivation, respectively. Another objective of this work was the hydrolysis of paper sludge which was obtained by using amylases from Aspergillus carbonarius and commercial cellulases. The products of enzymatic hydrolysis of the white sludge detected in HPLC showed the formation of glucose, xylose and maltose traits. Cell viability counting of the yeast, analyzes of pH, reducing sugar and alcohol content were carried out. Cellular viability of Saccharomyces cerevisiae along the fermentation was kept over 95%. Paper sludge fermentation using Saccharomyces cerevisiae, in medium supplemented with yeast extract 3 g/L, was considered satisfactory, showing 2.37 g/L of ethanol. Surface analysis was performed by Ion-tof and scanning electron microscopy in the cellulosic waste. Thus, this work made possible to study the importance of fungal enzymes application in lignocellulosic biomass degradation for the production of second generation ethanol.

Orientador: Crispin Humberto Garcia Cruz / Banca: Vanildo Luiz Del Bianchi / Banca: Marcos Lucca Jr. / Resumo: A produção de etanol combustível a partir de resíduos lignocelulósicos, como tecnologia emergente, conhecida como bioetanol de segunda geração, está sendo bastante pesquisada em virtude de uma preocupação com o desenvolvimento de fontes energéticas renováveis e mais limpas. Neste contexto as indústrias vinícolas têm destaque, já que o subproduto gerado por elas, bagaço e engaço, por exemplo, é de lenta decomposição. Ao mesmo tempo em que há buscas por novos substratos, há também por micro-organismos capazes de fermentar monossacarídeos presentes nestes resíduos para produzir bioetanol, e também que estes consigam fermentar em consórcio sem que haja competição entre eles para o melhor aproveitamento destas fontes de carbono. Neste trabalho foram realizadas fermentações pela bactéria Zymomonas mobilis CCT 4494 e pela levedura Candida tropicalis em hidrolisados ácidos dos resíduos de uvas das espécies Isabel e Bordô, para isto, foi utilizada a concentração de ácido sulfúrico de 1,5% com aquecimento em autoclave a 121 ºC e 1 kgf/cm2. Foram realizadas também, fermentações utilizando meios semi-sintéticos com glicose e xilose (50 g/L) como substratos para a Z. mobilis e C. tropicalis, respectivamente. Nas fermentações realizadas pela bactéria Z. mobilis, utilizando tanto a mistura (50% bagaço e 50% engaço) dos resíduos quanto apenas o engaço não houve detecção de etanol por cromatografia gasosa. Com o meio semi-sintético, em 8 horas de fermentação, foram produzidos 17,0 g/L de etanol. Durante as fermentações efetuadas pela levedura C. tropicalis, houve produção de etanol de 1,04 g/L e 5,89 g/L em 6 horas de fermentação utilizando a mistura dos resíduos e o engaço, respectivamente e, 18,56 g/L em 8 horas em meio semi-sintético. No consórcio dos micro-organismos, a produção de etanol, utilizando primeiramente a mistura e depois o engaço foi de 0,72 g/L e 1,15 g/L, ambas em 8 horas... / Abstract: The production of fuel ethanol from lignocellulosic residues, as an emerging technology, known as second-generation bioethanol is being extensive research because of a concern with the development of renewable and cleaner energy sources. In this context, the wine industry has highlighted, since the by-product generated by them, bagasse and stems, for example, is the slow decomposition. While there search for new substrates, there are also micro-organisms capable of fermenting monosaccharides present in these residues to produce bioethanol, and also that they are able to ferment in a consortium without competition between them for better use of these carbon sources . In this work were carried out fermentations by Zymomonas mobilis CCT 4494 bacteria and the yeast Candida tropicalis in hydrolyzed acid waste grape species Isabel and Bordô, for this, we used the sulfuric ... / Mestre

Orientador: Crispin Humberto Garcia Cruz / Banca: Vanildo Luiz Del Bianchi / Banca: Mauricio Boscolo / Banca: Sandra Regina Ceccato Antonini / Banca: Harvey Alexander Villa Vélez / Resumo: As crises no fornecimento de petróleo, a possibilidade de sua escassez, instabilidade dos preços e, principalmente, os efeitos negativos ao meio ambiente, aumentaram, nos últimos anos, o interesse pela procura de fontes alternativas para produção de energia. A possibilidade de produzir etanol a partir de resíduos lignocelulósicos é um grande atrativo para os pesquisadores, pois reduziria a necessidade em aumentar as áreas plantadas para incremento da produção, a competição direta com a produção de alimentos e o custo de matéria-prima. Diante do exposto, o objetivo deste trabalho foi estudar a produção de etanol por culturas individuais e co-culturas de Zymomonas mobilis e Pachysolen tannophilus usando cascas de banana, maracujá e coco verde hidrolisadas. O pré-tratamento ácido, seguido de hidrólise enzimática das cascas de banana, maracujá e coco, promoveram a liberação de 74,1, 87,2 e 13,4 g L-1 de açúcares totais, respectivamente. Foram avaliadas três concentrações de substrato (5, 10 e 15%) e três pH iniciais dos meios de fermentação (4,5; 5,0 e 5,5). Nas fermentações com a bactéria Z. mobilis, com os três resíduos, foi verificado que o substrato mais concentrado não contribuiu para um aumento significativo da produção de etanol. Além disso, a maior concentração do produto foi de 2,9 g L-1, obtido nas fermentações de cascas de banana hidrolisadas com concentração de 5%. Já nas fermentações com a levedura P. tannophilus, as maiores produções de etanol foram determinadas... / Abstract: Crises in oil supply, the possibility of their scarcity, price instability and, especially, the negative effects to the environment have increased the interest in alternative sources for energy production, in recent years. The possibility of producing ethanol from lignocellulosic residues is a great attractive to the researchers, because it would reduce the need for increasing the planted areas to increase production, the direct competition with food production and the high costs of raw materials. In this context, the objective of this work was to study the ethanol production by individual cultures and co-cultures of Zymomonas mobilis and Pachysolen tannophilus using banana, passion fruit and coconut peels hydrolysate. The acid pretreatment, followed by enzymatic hydrolysis of banana, passion fruit and coconut peels promoted the liberation of 74.1, 87.2 and 13.4 g L-1 of total sugars, respectively. Three substrate concentrations (5, 10 and 15%) and three initial pH of fermentation media (4.5; 5.0 and 5.5) were evaluated. In the fermentations with Z. mobilis bacteria, using the three residues, it was found that the most concentrated substrate did not contribute to a significant increase in ethanol production. In addition, the highest product concentration was 2.9 g L-1, obtained in hydrolysed banana peels fermentations at 5% concentration. In the fermentations with yeast P. tannophilus, the highest ethanol yields were determined using passion fruit peel hydrolysates at 10% solids concentration, providing the ethanol production of 10 g L-1 . And the association of Z. mobilis bacteria and P. tannophilus yeast, in the co-culture process, showed potential for the lignocellulosic hydrolysates fermentation. The inoculation system that showed the best results was the one in which the bacterium was inoculated at the beginning of the process, and after 7 h of fermentation, the yeast ... / Doutor

A exploração indiscriminada dos combustíveis fósseis vem alertando para o colapso próximo do suprimento de energia. Fontes alternativas vêm sendo exploradas com o propósito de apresentarem-se como combustíveis com o mesmo potencial, além de estarem inseridas em um contexto de desenvolvimento sustentável. O Brasil, por consolidar sua posição com forte mercado agroindustrial e dispor de uma grande variedade de unidades agrícolas possui como subprodutos uma alta quantidade de resíduos, como o sabugo de milho. Assim, buscam-se viabilizar metodologias que tornem a exploração desta fonte economicamente vantajosa para a obtenção de etanol de segunda geração (2G). Novas metodologias vêm propondo o emprego de tensoativos como aditivos tanto no prétratamento quanto na hidrólise enzimática de materiais lignocelulósicos. Neste contexto, o presente trabalho objetivou estudar a hidrólise enzimática do sabugo de milho pré-tratado por ácido diluído na presença de diferentes concentrações do tensoativo Tween 80 em associação com a dosagem do complexo enzimático Cellic CTec2 para a obtenção de um hidrolisado rico em glicose para obtenção de etanol pela levedura Scheffersomyces stipitis CBS 6054 através do processo SHF (Separate Hydrolysis and Fermentation). Os ensaios foram conduzidos de acordo com planejamento experimental 23 com face centrada e 3 repetições no ponto central. As variáveis estudadas foram: concentração de surfactante no pré-tratamento e na hidrólise enzimática e dosagem do complexo enzimático. Os resultados mostraram que o uso do surfactante no pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído surtiu maior efeito na remoção de lignina e hemicelulose quando empregado na concentração de 10% (m/m). Nesta condição foi possível observar um aumento (21,1%) na perda de celulose em relação ao pré-tratamento sem a presença de surfactante. A maior diminuição na cristalinidade (81,23%) foi com o uso de 10% do tensoativo. A análise da superfície de resposta permitiu determinar as condições ótimas do processo SHF para obtenção de máximo rendimento em glicose (entre 80 e 90 %) que foi quando a concentração de surfactante no pré-tratamento aumentou de 0 a 10 % (m/m) mantendo-se constante em seu nível superior a concentração de surfactante na hidrolise enzimática (10 % m/m) com redução na dosagem de enzima (25,50 FPU/gmaterial lignocelulósico seco). Nestas condições experimentais obteve-se favorecimento no rendimento em glicose (80,54%) e concentração em glicose (61,98 g/L) no meio reacional concomitantemente com o favorecimento no rendimento em xilose (70,66%). Esta levedura fermentou concomitantemente os açúcares (glicose, xilose e celobiose) a etanol com elevados fator de conversão (0,37 g/g) e produtividade volumétrica (1,02 getanol/L.h). A velocidade especifica máxima de consumo destes açúcares foi favorecida na seguinte ordem: glicose, celobiose e xilose. Após esta fermentação foi obtido um material com uma superfície mais porosa e fragmentada. Este fato evidenciou que o complexo enzimático agiu eficientemente quebrando a celulose cristalina obtendo um material amorfo. Espera-se que este trabalho tenha contribuído para o desenvolvimento de uma tecnologia alternativa para a produção de etanol por via biotecnológica a partir da fração lignocelulósica do sabugo de milho, a fim de mitigar os impactos ambientais intrínsecos ao processo. / The indiscriminate exploitation of fossil fuels has been warning of the near collapse of the energy supply. Alternative sources have been explored with the purpose of presenting themselves as fuels with the same potential, besides being inserted in a context of sustainable development. Brazil, by consolidating its position with a strong agroindustrial market and having a wide variety of agricultural units, has as a by-product a high amount of waste, such as corn cob. Thus, we seek to make feasible methodologies that make the exploitation of this source economically advantageous to obtain second generation etanol (2G). New methodologies have proposed the use of surfactants as additives in both pretreatment and enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials. In this context, the present work aimed to study the enzymatic hydrolysis of diluted-acid pretreated corn cob in the presence of different concentrations of the Tween 80 surfactant in combination with the dosage of the Cellic CTec2 enzymatic complex to obtain a glucose rich hydrolysate to produce ethanol by the yeast Scheffersomyces stipitis CBS 6054 in SHF (Separate Hydrolysis and Fermentation) process. The experiments were conducted according to experimental design 23 with centered face and 3 repetitions at the central point. The variables studied were: concentration of surfactant in the pretreatment and in the enzymatic hydrolysis and dosage of the enzymatic complex. The results showed that the use of surfactant in the pretreatment with diluted sulfuric acid had a greater effect on the removal of lignin and hemicellulose when used at the concentration of 10% (w/w). In this condition, the cellulose content was decreased by 21.1% as compared with the amount presents in the diluted-acid corn cob pretreatment without surfactant. The greatest decrease in crystallinity (81.23%) was with the use of 10% of the surfactant. The response surface analysis allowed to determine the optimum conditions of the SHF process to obtain maximum glucose yield (between 80 and 90%), when the pre-treatment surfactante concentration increased from 0 to 10% (w/w) with a reduction in the enzyme dosage (25,50 FPU/g dry lignocellulosic material) at a higher level than the surfactant concentration in the enzymatic hydrolysis. In these experimental conditions, glucose yield (80.54%) and glucose concentration (61.98 g/L) in the reaction medium were favored concomitantly with xylose yield (70.66%). This yeast concomitantly fermented the sugars (glucose, xylose and cellobiose) to ethanol with high conversion factor (0.37 g/g) and volumetric productivity (1.02 getanol/L.h). The maximum specific velocity of consumption of these sugars was favored in the following order: glucose, cellobiose and xylose. After this fermentation was obtained a material with a more porous and fragmented surface. This fact evidenced that the enzymatic complex acted efficiently breaking down the crystalline cellulose obtaining an amorphous material. It is hoped that this work had contributed to the development of an alternative technology to produce ethanol by Biotechnological route from the corn cob lignocellulosic fraction in order to mitigate the environmental impacts intrinsic to the process.

Orientador: Javier Telis Romero / Banca: Javier Telis Romero / Banca: João Cláudio Thoméo / Banca: Vanildo Luiz Del Bianchi / Banca: Renato Alexandre Ferreira Cabral / Banca: Rodrigo Corrêa Basso / Resumo: O presente trabalho teve como objetivo estudar a reologia de melaços de cana-deaçúcar, do creme de levedura e de caldos de fermentação de Saccharomyces cerevisiae SA-1, sob diferentes condições, em reômetro de cilindros concêntricos. Para o melaço, foi avaliado o comportamento reológico em diferentes concentrações (20, 30, 40, 50, 60 e 70°Brix) e temperaturas (21, 32, 43, 54, 65, 76, 87 e 98°C). O creme de levedura teve seu comportamento reológico avaliado nas concentrações de 0,15; 0,25; 0,35; 0,45; 0,55 e 0,64g ml-1 e temperaturas de 20, 30, 40, 50, 60, 70 e 80°C. E para o processo fermentativo, foi avaliado o comportamento reológico dos caldos fermentados a 32 e 38°C de 0 a 10 horas. Os resultados experimentais das amostras de melaço mostraram comportamento Newtoniano nas concentrações de 20 a 40ºBrix e comportamento pseudoplástico nas concentrações de 50 a 70°Brix. Para estes resultados, o modelo da Lei da Potência apresentou os melhores ajustes. Além disso, a dependência do índice de comportamento e o índice de consistência do fluido do modelo Lei da Potência foram modelados em relação à temperatura e concentração de sólidos por um modelo polinomial e uma Equação do tipo Arrhenius, respectivamente. Os resultados experimentais obtidos das amostras do creme de levedura foram ajustados em quatro diferentes modelos e o da Lei da Potência demonstrou a melhor acurácia e comportamento pseudoplástico em todas as concentrações estudadas. A dependência do índice de comportamento e do índice de consistência do fluido, obtidos na Lei da Potência em relação à temperatura e à concentração de sólidos, foi modelado com sucesso pelo modelo quadrático e pela equação Tipo-Arrhenius, respectivamente. Para os caldos de fermentação, modelos com termos de segunda e terceira ordem para o fator tempo (t), de primeira ordem para o fator temperatura (T) e a combina... / Abstract: This study aimed to study the rheology of sugarcane molasses, yeast cream and fermentation broths of Saccharomyces cerevisiae SA-1, under different conditions, in concentric cylinder rheometer. For molasses, the rheological behavior is evaluated at different concentrations (20, 30, 40, 50, 60 and 70°Brix) and temperatures (21, 32, 43, 54, 65, 76, 87 and 98°C). The rheological behavior of yeast cream was evaluated at concentrations of 0.15, 0.25, 0.35, 0.45, 0.55 and 0.64g ml-1 and temperatures of 20, 30, 40, 50, 60, 70 and 80°C. And for the fermentation process, the rheological behavior of the fermentation broths was evaluated at 32 to 38°C from 0 to 10 hours. The experimental results of the molasses samples showed Newtonian behavior at concentrations from 20 to 40°Brix and pseudoplastic behavior at concentrations from 50 to 70°Brix. For these results, the Power law model presented the best fit. Furthermore, the dependence of the behavior index and consistency index of the fluid of the power law model were modeled in relation to temperature and solid concentration by a polynomial model and an Arrhenius type equation, respectively. The experimental results obtained from the yeast cream samples were adjusted in four different models and the Power Law showed the best accuracy and pseudoplastic behavior in all concentrations. The dependence of the behavior index and the fluid consistency index, obtained in the Power Law in relation to temperature and solids concentration were modeled successfully by the quadratic model and by the Arrhenius type equation, respectively. For the fermentation process, models with second and third order terms for the factor time (t), first order for the factor temperature (T) and the combination of these were built to predict the behavior of experimental data percentage of yeast, acidity, pH, percentage of total soluble solids and ethanol in the temperature range and... / Doutor

Orientador: Vanildo Luiz Del Bianchi / Banca: Claudia Dorta / Banca: Crispin Humberto Garcia Cruz / Resumo: O soro de leite é um subproduto de elevado valor nutricional, composto principalmente por lactose e proteínas. Representa uma fonte rica de nutrientes, podendo ser utilizado em diversos processos fermentativos, porém quando descartado de maneira incorreta pode gerar sérios problemas ao meio ambiente devido a sua elevada carga orgânica. Desta maneira, o objetivo do trabalho foi avaliar a produção de etanol e redução da matéria orgânica por Kluyveromyces marxianus 229 em meios compostos por soro de leite. Os meios foram fermentados por 48 horas em condições aeróbias e anaeróbias em diferentes concentrações de soro de leite (100%, 80%, 50% e 25%) e inoculo inicial (5%,10%,15% e 20%). Em intervalos de 6 horas alíquotas dos meios fermentativos foram retiradas para realizar análise de etanol, carboidratos, proteínas, e demanda química de oxigênio (DQO). A maior produção de etanol ocorreu nos meios compostos por maiores concentração de nutrientes (MSL1), e com 10% de inoculo inicial, chegando a produzir 18,70 g/L de etanol em 10 horas de fermentação e 17,20 g/L de etanol em 18 horas de fermentação em condições aeróbias e anaeróbias respectivamente. Porém, em termos de rendimento etanólico teórico, os meios que apresentaram 50% de soro de leite (MSL3), foram os que obtiveram melhores resultados, chegando a um rendimento de 71,80% em aerobiose e 68,11% em anaerobiose . Em relação à produção e produtividade celular, os meios MSL1 com 15% de inoculo foram os que obtiveram resultados mais satisfatório, com 6,45 g/L e 0,53 g/L.h respectivamente em aerobiose e 5,44 g/L e 0,22 g/L.h respectivamente em anaerobiose. A levedura K. marxianus 229 apresentou melhores resultados quanto a redução da DQO nos meios de menor concentração de nutrientes (MSL4), chegando a reduzir até 94,26% e 83,28%... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Whey, a by-product with high nutritional value, mainly composed by lactose and proteins, represents a rich source of nutrients that can be used in different fermentation processes. However, when it's incorrectly disposed, can cause, however when it's incorrectly disposed it can cause serious problems to the environment due its high organic load. Thus, the aim of this study was to evaluate the ethanol production and the organic matter reduction by Kluyveromyces marxianus 229 in a media composed of whey. The media was fermented for 48 hours under aerobic and anaerobic conditions at different concentrations of whey (100%, 80%, 50% and 25%) and initial inoculums (5%, 10%, 15% and 20%). Aliquots of fermentation media were taken every 6 hours to perform analysis of ethanol, carbohydrates, proteins and chemical oxygen demand (COD). Ethanol production was higher in media containing higher nutrients concentration (MSL1) and 10% of initial inoculums, reaching 18.70g/L of ethanol after 10 hours and 17.20g/L after 18 hours of fermentation under aerobic and anaerobic conditions, respectively; though in terms of theoretical ethanol yield, the media containing 50% of whey (MSL3) obtained better results, reaching a yield of 71.80% under aerobic condition and 68.11% under anaerobic condition. Regarding the cellular production and productivity, the media MSL1 containing 15% of inoculum obtained more satisfactory results, presenting 6.45g/L and 0.53 g/L.h respectively under aerobic condition and 5.44g/L and 0.22 g/L.h respectively under anaerobic condition. The yeast K. marxianus 229 showed better results for the COD reduction in the media with lower nutrients concentration (MSL4), reducing to 94.26% and 83.28% after 48 hours of aerobic and anaerobic fermentation respectively. These results... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Atualmente, o aquecimento global, a deterioração ambiental, a eminente escassez das limitadas reservas de combustíveis fósseis e a forte demanda e dependência da matriz energética mundial face a esses combustíveis constituem sérias ameaças à sustentabilidade do desenvolvimento mundial, o que se têm revertido a favor de um crescente interesse por fontes alternativas de energia renováveis, dentre os quais a biomassa lignocelulósica se destaca como uma das mais promissoras. Neste contexto, a produção de etanol a partir do bagaço de cana-de-açúcar pela via enzimática e bioquímica se apresenta como uma das mais oportunas alternativas para a produção integrada e sustentável de biocombustível visando otimização de recursos, redução de resíduos e minimização de impactos ambientais nefastos. Todavia, o desenvolvimento de um pré-tratamento eficaz, a par da produção de enzimas hidrolíticas, constitui a chave para a viabilização da produção de etanol a partir de lignocelulósicos. Assim sendo, o propósito deste trabalho foi determinar os efeitos produzidos pelo pré-tratamento hidrotérmico catalisado com sulfito sobre a composição química do bagaço de cana e correlacionar esses valores com a eficiência da sacarificação enzimática e fermentabilidade do hidrolisado obtido desse bagaço. Após caracterização química inicial, o bagaço in natura foi pré-tratado com sulfito neutro e alcalino e verificou-se que a celulose foi recuperada quase que integralmente nas frações sólidas da reação. Por seu turno, as xilanas obtiveram solubilizações máximas de 72,0% e 35,4% enquanto a deslignificação máxima foi de 43,5% e 76,7%, para as reações catalisadas com sulfito neutro e sulfito alcalino respectivamente. Verificou-se maior efetividade do sulfito alcalino no enriquecimento de carboidratos no bagaço pré-tratado bem como uma maior deslignificação, pelo que, foi escolhido para as etapas seguintes do projeto. A partir de um planejamento fatorial 33, foram obtidos substratos pré-tratados que levaram aos máximos de sacarificação enzimática de 79,91% e 70,69% para celulose e xilanas, respectivamente, utilizando 10 UPF de celulases e 10 UCB de ?-glucosidase. Pela análise do rendimento global de glucanas foi definida a condição ótima para o prétratamento empregando 10% (m/m) de sulfito alcalino a 150ºC, por 30 min, o que foi corroborada pela análise estatística. Hidrolisados enzimáticos de bagaços pré-tratados em condições otimizadas foram fermentados a etanol com eficiência de, praticamente, 100% pela Saccharomyces cerevisiae PE-2 e 80,41% pela Scheffersomyces (Pichia) stipitis CBS 5773. Para as duas leveduras, os parâmetros fermentativos do hidrolisado foram em tudo semelhantes aos verificados para os meios semissintéticos contendo glicose e xilose puras. Conclui-se assim, que o pré-tratamento adotado neste trabalho apresentou grande potencialidade em gerar substratos com alta digestibilidade enzimática e hidrolisados tão fermentáveis quanto meios semissintéticos. / Currently, global warming, environmental degradation, imminent shortage of limited fossil fuel reserves and an intense demand and dependence of global energy on these fuels constitute serious threats to the sustainability of world development, which have led to a growing interest in alternative sources of renewable energy, among which lignocellulosic biomass stands out as one of the most promising. In this context, the production of ethanol from sugarcane bagasse by enzymatic and biochemical routes appears as the most promising alternative for integrated and sustainable production of biofuel aiming resource optimization, waste reduction and mitigation of adverse environmental impacts. However, the development of an effective pretreatment, as well as the production of hydrolytic enzymes, is the key to enabling the production of ethanol from lignocellulosics. Therefore, the purpose of this study was to determine the effects of hydrothermal pretreatment catalyzed by sulfite on the chemical composition of sugarcane bagasse and establish a correlation of these values with the efficiency of enzymatic saccharification and fermentability of these bagasse hydrolyzate. After the initial chemical characterization, the bagasse was pretreated with neutral and alkaline sulfite and was found that cellulose was almost fully recovered in the solid fraction of the reaction. In turn, xylan obtained its maximum solubilization of 72.0% and 35.4% while the maximum delignification was 43.5% and 76.7%, for the reactions catalyzed by neutral and alkaline sulfite, respectively. The alkaline sulfite was found more effective for carbohydrates enrichment in the pretreated bagasse and led to a greater delignification, therefore, it was chosen for the following stages of the project. From a 33 full factorial experiments were obtained pretreated substrates which led to maximum enzymatic saccharification of 79.91% and 70.69% for cellulose and xylans, respectively, using 10 FPU cellulases and 10 CBU ?- glucosidase. By analysis of the glucans overall yield the optimal condition for the pretreatment has been defined as 10% (w/w) alkaline sulfide at 150°C for 30 min, which was confirmed by statistical analysis. Enzymatic hydrolysates of bagasse pretreated in optimized conditions were fermented into ethanol with efficiency of virtually 100% by Saccharomyces cerevisiae PE-2 and 80.41% by Scheffersomyces (Pichia) stipitis CBS 5773. For both yeasts, the hydrolyzate fermentation parameters were at all similar to those seen for the semisynthetic media containing pure glucose and xylose. Therefore, we concluded that the pre-treatment used in this work showed great potential to generate substrates with high enzymatic digestibility and hydrolysates as fermentable as semisynthetic media.