Orientador: Roberto da Silva / Coorientador: Prof. Dr. Mauricio Boscolo / Banca: Maria de Lourdes T. P. Polizeli / Banca: Eleni Gomes / Resumo: O material lignocelulósico do qual o bagaço é formado contém principalmente açúcares polimerizados na forma de celulose e hemiceluloses, e compostos fenólicos polimerizados na forma de lignina. Tais polímeros podem ser hidrolisados via química e/ou enzimática, dando origem a, entre outros compostos, açúcares fermentescíveis. O objetivo desse trabalho foi investigar alguns tratamentos físico-químicos aplicados ao bagaço de cana de açúcar que favoreçam o aumento da liberação de açúcares fermentescíveis por hidrólise enzimática, com a mínima produção possível de compostos inibidores da fermentação alcoólica. Diferentes condições de pré-tratamento foram testadas, como utilização de H2SO4 ou NaOH em diferentes concentrações, concomitantemente com a utilização de tratamentos combinados de ozônio, ultrassom e micro-ondas. Os resultados mostraram que tais processos promoveram certa desestruturação do complexo lignocelulósico da parede celular do bagaço, a qual foi relacionada com a concentração de compostos fenólicos e açúcares redutores. O bagaço pré-tratado foi então submetido à ação de enzimas celulolíticas e o teor de açúcares redutores totais formados foi analisado. As condições nas quais maiores quantidades destes açúcares foram liberados foram: H2SO4 0,1 M, irradiado por ultrassom durante 5 minutos (81,7 ± 0,2 mg de glicose por grama de bagaço) e H2SO4 0,1 M saturado com ozônio, irradiado por micro-ondas por 4 minutos (86,0 ± 0,2 mg de glicose por grama de bagaço), que representam um ganho significativo frente aos 6,8 ± 0,2 mg de glicose por grama de bagaço não tratado. As análises por Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) e por Espectrofotometria no Infravermelho (FTIR-ATR) possibilitaram comparar as modificações no sistema estrutural da parede... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The lignocellulosic material of which the sugarcane bagasse is made contains, mainly, polymerized sugars as cellulose and hemicelluloses and polymerized phenolic compounds as lignin. These polysaccharides can be hydrolyzated chemically or enzymatically, giving rise to, among other compounds, fermentable sugars. The aim of this work is to investigate some physicochemical treatments applied to the sugarcane bagasse that favors the release of the maximum amount of fermentable sugars by enzymatic hydrolysis, with a minimal production of alcoholic fermentation inhibitor compounds. Different pre-treatment conditions were tested as different concentrations of sulfuric acid or sodium hydroxide concomitantly with the combinated treatments of ozone, ultrasound and microwaves. Results showed that such processes promoted certain disruption of lignocellulosic complex of the bagasse cell wall, which was related to the concentration of phenolic compounds and reducing sugars. Then, the bagasse was subjected to the action of cellulolytic enzymes and the reducing sugars content was quantified. The conditions in what the maximum amount of these sugars were released were: H2SO4 0.1 M, irradiated by ultrasound for 5 minutes (81.7 ± 0,2 mg/g bagasse) and H2SO4 0.1 M irradiated by microwaves for 4 minutes (86.0 ± 0,2 mg/g bagasse), that represents a significative gain compared to untreated bagasse. Strucural analysis by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Fourier-Transform Infrared Spectrophotometry Atennuated Total Reflectance (FTIR-ATR) analysis allowed comparing the structural modifications in the wall after the pretreatments, indicating that ultrasound pretreatments were effective for hemicelluloses desestruturation and decrease in the cellulose crystallinity index while microwave pretreatments were... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Orientador: Mauricio Boscolo / Banca: Vanildo Luiz Del Bianchi / Banca: George Jackson de Moraes Rocha / Resumo: Utilizando o bagaço de cana como matéria prima para a produção do etanol brasileiro pode-se aumentar a produção em 50% deste combustível sem o aumento de área cultivada com a cana de açúcar. A hidrólise química deste material demonstrou ser ineficiente à medida que gera um grande número de substâncias inibidoras do processo fermentativo alcoólico, como aldeídos furânicos e fenóis. A hidrólise enzimática vem se destacando como a forma mais viável de sacarificação do bagaço, em função de não gerar tais inibidores, mas a recalcitrância da fibra vegetal impede tal processo. A ação das enzimas hidrolíticas é muito dificultada pela forma como se encontra naturalmente a fibra vegetal: regiões de alta cristalinidade e a presença de lignina revestindo as fibras. O preparo do bagaço para a ação enzimática, normalmente denominado de pré-tratamento, utiliza condições extremas de temperatura e pressão que podem formar produtos tóxicos para a fermentação alcoólica e apresentam sérios riscos operacionais. O objetivo deste trabalho é avaliar o grau de desestruturação do bagaço após pré-tratamentos em soluções ácidas e alcalinas em glicerol e irradiadas com micro-ondas (MO) em dois modos: estático e rotativo. A melhor condição para a ação hidrolítica do complexo enzimático empregado foi obtida em meio não tamponado (água destilada) durante 24 horas. As maiores liberações de açúcares redutores totais (ART) após a hidrólise enzimática foram alcançadas quando o bagaço foi pré-tratado com irradiação de MO por dois minutos em modo rotativo em meio ácido (0,07 mol/L H2SO4) em 100% glicerol (617 ± 24 mg de ART/g de bagaço) e em meio alcalino (0,05 mol/L NaOH) em 100% glicerol... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The production of the Brazilian bioethanol can be increased in 50% without expanding the area cultivated with sugarcane by using sugarcane bagasse as raw material. Its recalcitrance is an obstacle to enzymatic hydrolysis, which can be overcome by physical-chemical treatments. Common pre-treatments using extreme conditions of temperature and pressure are dangerous, promote the generation of toxic compounds (phenols and aldehydes) besides being potentially inhibitory for yeast. The aim of this work is to assess the degree of disruption of the bagasse after pre-treatment in acidic and alkaline glycerol, irradiated with microwaves both in the static and rotational modes. The enzyme complex showed the best results with the reactions promoted in a non-buffered (distilled water) at 24 hours. The best results for the pre-treatment were found after inserting a rotation system in the microwave oven inasmuch as the samples were subjected to irradiation in a more homogeneous way. The best pre-treatment was obtained after enzymatic hydrolysis in sulfuric acid (0.07 mol/L), in pure glycerol, with the rotation of the balloon inside the microwave oven (617 ± 24 mg of ART/g bagasse). In alkaline medium, the best result was found in the absence of water in the reaction medium (0.05 mol/L NaOH) with the rotation of the balloon inside the microwave oven (601 ± 58 mg of ART/g of bagasse). Differential Scanning Calorimetry (DSC) allows to evaluate the degree of disruption of bagasse comparing the enthalpy change, which can be associated with disruption of bounds in pre-treated bagasse. Among the pre-treated bagasse, it is observed that the bagasse treated with NaOH 0.05 mol/L and 5% of water in glycerol had the lowest ΔH, suggesting greater breakdown of carbohydrates after pre-treatment / Mestre

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The use of biofuels in the United States has increased dramatically in the last few years. The largest source of feedstock for ethanol to date has been corn. However, corn is also a vitally important food crop and is used commonly as feed for cattle and other livestock. To prevent further diversion of an important food crop to production of ethanol, there is great interest in developing commercial-scale technologies to make ethanol from non-food crops, or other suitable plant material. This is commonly referred to as biomass. A review is made of lignocellulosic sources being considered as feedstocks to produce ethanol. Current technologies for pretreatment and hydrolysis of the biomass material are examined and discussed. Production data and cost estimates are culled from the literature, and used to assist in development of mathematical models for evaluation of production ramp-up profiles, and cost estimation. These mathematical models are useful as a planning tool, and provide a methodology to estimate monthly production output and costs for labor, capital, operations and maintenance, feedstock, raw materials, and total cost. Existing credits for ethanol production are also considered and modeled. The production output in liters is modeled as a negative exponential growth curve, with a rate coefficient providing the ability to evaluate slower, or faster, growth in production output and its corresponding effect on monthly cost. The capital and labor costs per unit of product are determined by dividing the monthly debt service and labor costs by that month’s production value. The remaining cost components change at a constant rate in the simulation case studies. This methodology is used to calculate production levels and costs as a function of time for a 25 million gallon per year capacity cellulosic ethanol plant. The parameters of interest are calculated in MATLAB with a deterministic, continuous system simulation model. Simulation results for high, medium, and low cost case studies are included. Assumptions for the model and for each case study are included and some comparisons are made to cost estimates in the literature. iv While the cost per unit of product decreases and production output increases over time, some reasonable cost values are obtained by the end of the second year for both the low and medium cost case studies. By the end of Year 2, total costs for those case studies are $0.48 per liter and $0.88 per liter, respectively. These cost estimates are well within the reported range of values from the reviewed literature sources. Differing assumptions for calculations made by different sources make a direct cost comparison with the outputs of this modeling methodology extremely difficult. Proposals for reducing costs are introduced. Limitations and shortcomings of the research activity are discussed, along with recommendations for potential future work in improving the simulation model and model verification activities. In summary, the author was not able to find evidence—within the public domain—of any similar modeling and simulation methodology that uses a deterministic, continuous simulation model to evaluate production and costs as a function of time. This methodology is also unique in highlighting the important effect of production ramp-up on monthly costs for capital (debt service) and labor. The resultant simulation model can be used for planning purposes and provides an independent, unbiased estimate of cost as a function of time.

Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: Second-generation bioethanol is an alternative transportation fuel currently being investigated whereby cellulose, specifically lignocellulosic (woody) portions, of any plant mass can be converted to ethanol. To date, the technology had only been successfully implemented with demonstration scale facilities. Despite intensive research efforts at laboratory scale, no-one is certain what the secondary effects of scale-up to large systems are. The objective of this project was to develop threedimensional numerical models of a laboratory scale fermenter which could predict the effects of particulate mixing and reaction kinetics for future scale-up investigations. A numerical model of the reaction kinetics for simultaneous saccharification and fermentation of Avicel (microcrystalline cellulose) particles to ethanol is presented. The novelty of this model is the separation of the two primary cellulase enzyme-kinetics, which generated the capability to predict the heterogeneous behaviour of the enzyme-substrate interactions. This model improves the understanding of these systems while maintaining sufficient simplicity for implementation alongside a commercial computational fluid dynamics environment. Effects of the various fermentation medium constituents and the influence of each on the dynamic viscosity of the medium were also investigated. Results indicated that particle volume fraction had the dominant effect on the apparent dynamic viscosity resulting in further research of the particle properties. Due to the irregular shapes of Avicel particles, tests were conducted to determine drag and settling behaviour, which led to the development and modification of models to account for these phenomena. This investigation is unique as it allows a more accurate calculation of particle transportation through a three-dimensional environment including the effects of natural packing density. At lower particle volume fraction the concentration of ethanol and glycerol had the greatest effect on the apparent dynamic viscosity and was calculated from models obtained from literature. Validation of the physics and the incorporation thereof in the simulations resulted in the modification of various generic models which either improved numerical stability or accuracy, or both. Contributions included a modified form of the pressure force model, which proved significantly more stable and accurate than previous models proposed in literature. The models developed for capturing the effects of particles on the apparent dynamic viscosity proved effective for this specific substrate. Results from cross-coupling the reaction models with computational fluid dynamic simulations provide a novel approach to capturing the secondary effect of substrate conversion and particle distribution on the performance of the fermentation vessels. This is the first time where that biological reactions were successfully combined with particle dynamics and fluid flow fields to investigate the secondary effects which occur in fermenters. This work served as a foundation for future research and development within the bioethanol field with significant potential for expansion into other biochemical disciplines. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Tweede-generasie bioetanol is ’n alternatiewe vervoerbrandstof wat tans ondersoek word waar sellulose, spesifiek lignosellulosiese (houtagtige) gedeeltes, van enige plantmassa na etanol omgesit kan word. Tot op hede was die tegnologie slegs suksesvol geïmplimenteer in demonstrasieskaal fasiliteite. Ten spyte van intensiewe navorsingpogings op laboratoriumskaal, is niemand seker wat die sekondêre effekte van die opskaal tot groot stelsels sal wees nie. Die doelwit van die projek was om drie-dimensionele modelle te ontwikkel van ’n laboratoriumskaal fermentor wat die effekte van partikulêre vermenging en reaksiekinetika kan voorspel vir toekomstige opskaal navorsing. ’n Numeriese model van die reaksiekinetika vir gelyktydige versuikering en fermentasie van Avicel (mikrokristallyne sellulose) partikels tot etanol word aangebied. Die oorspronklikheid van die model is geleë in die skeiding van die twee primêre sellulase ensiemkinetika, wat lei tot die vermoë om die heterogene gedrag van die ensiem-substraat interaksies te voorspel. Hierdie model verbeter die kennis van die stelsels, terwyl voldoende eenvoud behoue bly vir implementering parallel aan kommersiële berekeningsvloeidinamika sagteware. Effekte van die verskillende bestanddele van die fermentasiemedium en die invloed van elk op die dinamiese viskositeit van die medium is ook ondersoek. Resultate dui aan dat partikel volume fraksie die dominante invloed op die skynbare dinamiese viskositeit het, wat gelei het tot verdere ondersoek van die partikel eienskappe. As gevolg van die onreëlmatige vorms van Avicel partikels, is toetse gedoen om die sleur-en uitsakkingsgedrag te bepaal, wat gelei het tot die ontwikkeling en aanpassing van modelle om hierdie verskynsels in ag te neem. Hierdie ondersoek is uniek, want dit laat meer akkurate berekening van partikelvervoer deur ’n drie-dimensionele omgewing toe, insluitend die effekte van natuurlike verpakkingsdigtheid. By laer partikel volume fraksie het die konsentrasie van etanol en gliserol die grootste effek op die skynbare dinamiese viskositeit gehad en was bereken vanaf modelle in die literatuur. Bevestiging van die fisika en die insluiting daarvan in die simulasies het gelei tot die aanpasing van verskillende generiese modelle wat óf numeriese stabiliteit óf akkuraatheid óf beide verbeter. Bydraes gemaak sluit ’n aangepaste vorm van die drukkragmodel in, wat heelwat meer stabiel en akkuraat was as die vorige modelle voorgestel in die literatuur. Die modelle wat ontwikkel is om die effek van partikels op die skynbare viskositeit vas te vang, was effektief bewys vir hierdie spesifieke substraat. Resultate van die kruiskoppeling van inligting vanaf die reaksiemodelle met berekeningsvloeidinamika simulasies lewer ’n nuwe benadering tot die bepaling van die sekondêre effek van substraatomskakeling en partikeldistribusie op die uitvoering van die fermentasie toestel. Hierdie is die eerste poging om biologiese reaksies met partikel dinamika en vloeivelde te kombineer om die sekondêre effekte wat in fermenter plaasvind, te ondersoek. Hierdie werk dien as ’n grondslag vir toekomstige navorsing en ontwikkeling binne die bioetanolveld, met beduidende potensiaal vir uitbreiding na ander biochemiese dissiplines.

Após as crises de petróleo ocorridas no século passado, vários países buscaram o desenvolvimento de novos combustíveis a fim de reduzir a dependência deste recurso natural. O Brasil foi um deles e criou o Programa Nacional do Álcool (Pró-Álcool) para incentivar a produção de etanol. Hoje, mais de 80% da frota nacional de veículos rodam ou somente com etanol ou com a mistura de gasolina e etanol. Para atender a crescente demanda de etanol, sem competir com áreas cultiváveis voltadas para produção de alimentos, fontes de materiais lignocelulósicos podem ser utilizadas com o intuito de se aproveitar a fração celulósica para obtenção de açúcar fermentável. Neste trabalho propôs-se avaliar o efeito de tecnologias de pré-tratamento dos subprodutos sucroalcooleiros (bagaço e palha de cana), seguida ou não de uma etapa de deslignificação, sobre a conversão enzimática da celulose de cada biomassa vegetal. Os materiais lignocelulósicos foram pré-tratados por explosão a vapor (bagaço), impregnação a vapor (palha) e por ultrassom (bagaço e palha). A etapa de pré-tratamento por explosão a vapor foi realizada no reator industrial de 5 m3 sob a condição de 200°C por 7min, das Usinas de Açúcar, Álcool e Biodiesel Vale do Rosário. A etapa de pré-tratamento por impregnação de vapor foi realizada em reator de 20 L sob as condições de 180, 185, 190, 195 °C por 10 min e 190°C por 15 min. Já a etapa de pré-tratamento por ultrassom foi realizada em banho de ultrassom a 55°C por 40 min e radiação de 40 kHz/120W. Os materiais pré-tratados foram deslignificados sob a condição de NaOH 1% (m/v), 100°C por 1h, variando somente o tamanho reator em função da quantidade de biomassa disponível. Para o bagaço explodido a vapor, a deslignificação organosolv também foi testada, variando as condições numa matriz de planejamento L18 de Taguchi. Os ensaios de hidrólise enzimática foram realizados empregando Celluclast 1.5L (15 FPU/g de amostra) e ?-Glucosidase (10 UI/g de amostra). Das três técnicas de pré-tratamento avaliadas (explosão a vapor, impregnação a vapor e ultrassom), somente os métodos baseados em vapor foram eficientes na desagregação dos constituintes dos subprodutos sucroalcooleiros. Esses métodos foram capazes de remover grande parte da hemicelulose (acima de 70%) e uma parte da lignina (<40%), elevando a digestibilidade da celulose pelas enzimas celulolíticas (conversão de 66 a 68%). O método de pré-tratamento com ultrassom provocou o aumento da recalcitrância dos materiais lignocelulósicos tanto para o agente deslignificante (soda cáustica) como para as celulases, sendo, portanto, um método não indicado, dentro da faixa das condições avaliadas, para um processo de conversão dos subprodutos sucroalcooleiros em açúcares fermentáveis. A etapa de deslignificação com soda cáustica foi essencial para elevar a digestibilidade dos materiais lignocelulósicos pré-tratados por explosão a vapor ou com ultrassom. Entretanto, para a palha pré-tratada hidrotermicamente, a etapa de extração alcalina não promoveu um efeito positivo sobre a conversão enzimática de celulose. De forma geral, observou-se que o bagaço de cana apresenta um potencial ligeiramente maior para conversão em açúcares fermentáveis em comparação com a palha de cana. / After the oil crises occurred in the last century, many countries have been to develop new fuels to reduce dependence on this natural resource. Brazil was one of them and created the National Alcohol Program (Pro-álcool) to promote the production of ethanol. Today, more than 80% of the national vehicles run on ethanol or with a mixture of gasoline and ethanol. To supply the growing demand for ethanol, without it to affect the food production farmland, sources of lignocellulosic materials can be used in order to take advantage of the cellulosic fraction for production of fermentable sugar. This work had objective to evaluate the effect of pretreatment technologies of sugarcane byproducts (bagasse and straw), followed or not by a stage of delignification, on the cellulose enzymatic conversion of each biomass. The lignocellulosic materials were pretreated by steam explosion (bagasse), vapor impregnation (straw) and ultrasound (bagasse and straw). The steam explosion pretreatment was carried out in 5 m3 industrial reactor under the condition of 200 °C for 7 min, from Usinas de Açúcar, Álcool e Biodiesel Vale do Rosário. The steam impregnation pretreatment was carried out in 20 L reactor under conditions of 180, 185, 190, 195 °C for 10 min and 190 °C for 15 min. The ultrasound pretreatment was performed in the ultrasonic bath at 55 °C for 40 min and 40 kHz/120W radiation. The pretreated materials were deslignified on condition of 1% (w/v) NaOH, 100 °C for 1 h, using different sizes of reactors due to amount of biomass available. For the steam exploded bagasse, one stage of organosolv delignification was also tested varying the conditions in a L18 Taguchi matrix. The enzymatic hydrolysis tests were performed using Celluclast 1.5L (15 FPU/g of material) and ?-Glucosidase (10 IU/g of material). From three pretreatment techniques evaluated (steam explosion, steam impregnation and ultrasonic), only the vapor-based methods were efficient in the breakdown of the constituents of sugarcane byproducts. These methods were able to remove most of the hemicellulose (above 70%) and a part of the lignin (<40%), increasing the cellulose digestibility by cellulolytic enzymes (conversion 66-68%). The ultrasound pretreatment increases the recalcitrance of lignocellulosic materials both for the caustic soda and for cellulases. Therefore, this pretreatment method is not indicated, within the conditions range assessed, for a conversion process of sugarcane byproducts to fermentable sugars. The delignification stage with caustic soda was essential to increase the digestibility of lignocellulosic materials pretreated by steam explosion or ultrasound. However, for the straw pretreated hydrothermically, the alkaline extraction did not cause a positive effect on the enzymatic conversion of cellulose. Overall, it was observed that sugarcane bagasse has a slightly higher potential for conversion to fermentable sugars in relation to sugarcane straw.

Atualmente há grande interesse no desenvolvimento de processos enzimáticos eficientes para a hidrólise da biomassa lignocelulósica. O objetivo deste trabalho foi a otimização da produção por fermentação em estado sólido e a caracterização bioquímica, no extrato bruto, das -glucosidases, -xilosidases e xilanases produzidas por Colletotrichum graminicola e das lacases produzidas por Pycnoporus sanguineus. Também foi avaliado o potencial de aplicação dos extratos obtidos em coquetéis enzimáticos para a sacarificação de resíduos agroindustriais. A otimização das condições de cultivo, empregando a Metodologia de Superfície de Resposta, levou à produção de 159,3 ± 12,7 U g-1, 125,88 ± 6,4 U g-1, 378,1 ± 23,3 U g-1 e 138,6 ± 6,4 U g-1 de -glucosidases, -xilosidases, xilanases e lacases, respectivamente. Os meios de cultivo empregados foram constituídos por farelo de trigo suplementado com resíduos agroindustriais. Todas as enzimas produzidas apresentaram pH e temperatura ótimos de reação de 4,5-5,0 e 65ºC, respectivamente, bem como boa estabilidade térmica e ao pH. O coquetel composto pelos extratos brutos obtidos em condições otimizadas para a produção de xilanases (ECg) e lacases (EPs), em mistura com um extrato bruto de Trichoderma reesei rico em celulases (ETr) foi muito eficiente na sacarificação de palha de cana e papelão, sem pré-tratamento, atingindo rendimentos de 41,4 e 71,1% em glicose, respectivamente. Além disso, este coquetel foi mais eficiente na sacarificação de bagaço de cana explodido e in natura bem como de palha de cana in natura, quando comparado a um coquetel contendo celulases comerciais (Celluclast®) em mistura com ECg e EPs. Visando estudos futuros da ação individual de cada enzima sobre a biomassa, foi purificada uma -glucosidase majoritária de C. graminicola. A enzima mostrou temperatura e pH ótimos de reação de 5,0 e 65ºC, respectivamente, boa estabilidade térmica e ao pH, além da estimulação por xilose, propriedade muito interessante para emprego em coquetéis mistos de celulases e xilanases. Os resultados encontrados sugerem que as enzimas produzidas por C. graminicola e P. sanguineus, assim como os coquetéis enzimáticos avaliados, apresentam características muito interessantes para aplicações biotecnológicas, particularmente em processos de sacarificação da biomassa para obtenção de etanol celulósico. / There is currently a great interest in developing efficient processes for the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass. The objective of this study was the optimization of the culture conditions for the production of -glucosidases, xylanases and -xylosidases by Colletotrichum graminicola and laccases by Pycnoporus sanguineus under solid state fermentation, followed by the biochemical characterization of the enzymes in the crude extracts. The potential of application of the extracts to compose enzyme cocktails for the saccharification of agroindustrial residues was also investigated. Optimization of the culture conditions using the Response Surface Methodology led to the production of 159.3 ± 12.7 U g - 1, 125.88 ± 6.4 U g- 1, 378.1 ± 23.3 U g - 1 and 138.6 ± 6.4 U g - 1 of -glucosidases, -xylosidases, xylanases and laccases, respectively. The culture media employed consisted mainly of wheat bran, supplemented with agroindustrial residues. All enzymes produced showed optimum pH and temperature of 4.5-5.0 and 65° C, respectively, as well as good thermal and pH stability. A cocktail composed of the crude extracts obtained under optimized conditions for the production of xylanases (ECg) and laccases (EPs), mixed with a Trichoderma reesei crude extract (ETr), rich in cellulases, was highly efficient for the saccharification of sugarcane trash and cardboard, without pretreatment, reaching yields of 41.4% and 71.1% in glucose, respectively. Moreover, this cocktail was more efficient than a cocktail composed of commercial cellulases (Celluclast ®) in combination with ECg and EPs for the saccharification of raw and steam exploded sugarcane bagasse, as well as raw sugarcane trash. Aiming future studies on the individual action of each enzyme on biomass, a majoritary -glucosidase from C. graminicola was purified. The enzyme showed optima of temperature and pH of 5.0 and 65° C, respectively, good thermal and pH stability, as well as stimulation by xylose, a very interesting property for its application in mixed cellulase-xylanase cocktails. The results suggested that the enzymes produced by C. graminicola and P. sanguineus, as well as the cocktails employed in this study, have good potential for biotechnological applications, particularly in biomass saccharification processes for cellulosic ethanol production.

Devido à sua importante atividade celulolítica, o fungo Trichoderma harzianum possui um grande potencial de aplicação na hidrólise da biomassa. No entanto, as celulases deste fungo filamentoso ainda não foram caracterizadas em profundidade. A celobiohidrolase I (CBHI) é a principal enzima celulolítica produzida por Trichoderma sp. e atualmente é uma das celulases mais investigadas para aplicações de biocombustíveis. A CBHI hidrolisa celulose cristalina à unidades solúveis de celobiose, o que a torna uma enzima chave para a produção de açúcares fermentáveis a partir da biomassa. O objetivo deste trabalho foi purificar e caracterizar a CBHI de Trichoderma harzianum (ThCBHI) bioquímica, biofísica e estruturalmente. Primeiramente foi estabelecido um protocolo de purificação eficiente da proteína a partir da expressão homóloga no fungo. A caracterização bioquímica ThCBHI mostrou que a proteína possui uma massa molecular de 66 kDa, pI de 5,23 e o pH e a temperatura de atividade ótima foram 5,0 e 50 ºC, respectivamente. A influência do pH e temperatura sobre as estruturas secundárias e terciárias e atividade enzimática da ThCBHI foram analisados por espectroscopia de CD, fluorescência e SAXS, e os resultados mostraram que as perturbações de pH e de temperatura afetam a estabilidade por dois mecanismos diferentes. As variações de pH podem modificar a protonação dos resíduos, afetando diretamente sua atividade, levando a desestabilização estrutural apenas em limites extremos de pH, como pH 9,0. A temperatura, por outro lado, tem uma influência direta sobre enovelamento e compactação da enzima, fazendo com que na temperatura em torno de 60 ºC ocorra perda da estrutura secundária, e terciária. Quando as análises foram realizadas na presença do produto de reação e também inibidor competitivo, celobiose, a estabilidade térmica da ThCBHI aumentou significativamente de 61,5 para 65,9 ºC. Os estudos estruturais e simulações de dinâmica molecular mostraram que a flexibilidade do resíduo Tyr260, em comparação com a Tyr247 do homólogo de T. reesei CBHI (TrCBHI), é aumentada devido às cadeias laterais curtas adjacentes de Val216 e Ala384 criando uma abertura adicional na face lateral do túnel catalítico. A ThCBHI também apresenta um loop encurtado na entrada do túnel de interação com a celulose, o que tem sido descrito como o responsável por interagir com o substrato de TrCBHI. Estas características estruturais podem explicar por que a ThCBHI apresenta maior valor de kcat e menor inibição pelo produto em comparação com TrCBHI. / Trichoderma harzianum is a fungus that has a considerable potential in biomass hydrolysis application due to its elevated cellulolytic activity. Cellulases from Trichoderma reesei have been widely used as model in studies of cellulose breakdown. However, cellulases from Trichoderma harzianum are less-studied enzymes which have not been characterized biophysically and biochemically as yet. CBHI, a cellobiohydrolase I, is the major cellulolytic enzyme produced by Trichoderma sp. and is currently one of the most investigated cellulases for biofuel applications. CBHI hydrolyzes crystalline cellulose to soluble cellobiose units, which turns it into a key enzyme for producing fermentable sugars from biomass. The aim of this work was to purify and characterize the CBHI of Trichoderma harzianum (ThCBHI). We established an efficient purification protocol of ThCBHI, from the homologous expression. The biochemical characterization of ThCBHI showed that the protein has a molecular mass of 66 kDa, a pI of 5,23, and the optimum pH and temperature for its activity are 5,0 and 50 ºC, respectively. The effect of pH and temperature on secondary and tertiary structure and enzymatic activity of ThCBHI were analyzed by CD and Fluorescence spectroscopy and showed that they affect protein stability by two distinct mechanisms. Variations of pH modify protonation of the residues, affecting directly its activity, leading to structural destabilization only at extreme pH values, such as pH 9, 0. On the other hand, temperature has direct influence on mobility, fold and compactness of the folding enzyme, at temperatures above 60 ºC, there is loss of secondary and tertiary structure. When the assays were conducted in the presence of the cellobiose, a competitive inhibitor, thermal stability of ThCBHI was significantly increased to 61,5 to 65,9 ºC. Structural studies and molecular dynamics simulations showed that the flexibility of Tyr260, in comparison to the Tyr247 from the homologous T. reesei CBHI, is enhanced due to the short side chains of adjacent Val216 and Ala384 residues and creates an additional gap at the side face of the catalytic tunnel. In addition, CBHI of T. harzianum has a shortened loop at the entrance of the cellulose-binding tunnel, which has been described to interact with the substrate in T. reesei CBHI. These structural features might explain why T. harzianum enzyme displays higher kcat value and lower product inhibition on both glucosides and lactosides substrates in comparison to T. reesei CBHI.

O objetivo deste trabalho foi encontrar os melhores cenários para os vetores energéticos etanol e eletricidade em termos das quantidades disponibilizadas de bagaço e palha para cada processo e da composição de biomassa em uma usina de processamento de cana-de-açúcar. O modelo simulado é abrangente, com otimização multiobjetivo. Com isso, mostrou-se que a biomassa possui características específicas para os conjuntos de vetores de saída próximos ao limite máximo de energia (fronteira de Pareto). Os resultados foram obtidos com a utilização do Método de Monte Carlo para gerar de forma aleatória a combinação das variáveis de interesse como umidade, fibra e outras. A contribuição das variáveis na produção otimizada dos vetores de energia foi avaliada por meio de distribuição de probabilidade e mostrou que a conversão ideal ocorre para altos teores de fibra e pequena umidade. A composição da fibra do bagaço e da palha tem importante papel nas vias de conversão, sendo a lignina a variável de maior impacto. O modelo mostrou que a palha tem papel menos relevante na otimização, possivelmente em função da menor quantidade em que é usada e da menor variabilidade de suas propriedades. / The objective of this work was to find the best scenarios for production of the energy vectors ethanol and electricity from sugarcane bagasse and straw, considering variables as mass flow rate destined to each process, biomass composition and fibers composition in a sugarcane plant. The model is comprehensive with multiobjective optimization and was able to show that biomass has a characteristic set of properties in the vicinity of the maximum limits of energy (Paretos frontier). In order to generate the stochastic variables of interest as humidity, fiber content and fiber properties as well as the amounts of biomass destined to energy and ethanol it was applied the Monte Carlo method. The contribution of each variable to the optimized production of energy vectors was assessed by probability distribution and showed that the ideal conversion occurs for high fiber and low humidity contents. The fiber compositions of the bagasse and straw had a secondary importance on the conversion routes, with lignin playing a prominent role. The model indicated that straw has a less relevant role in the optimization, possibly because it is used in smaller quantities and has a narrower variation of its properties.

A utilização de resíduos agroindustriais como fontes lignocelulósicas para a obtenção de diversos insumos químicos é uma alternativa para contribuir para a valorização destes subprodutos. Neste contexto, o etanol produzido a partir de materiais lignocelulósicos torna-se uma opção interessante para aumentar a produção deste combustível sem aumentar a área plantada das colheitas utilizadas para sua produção, já que a demanda de etanol vem aumentando cada vez mais nos últimos anos, com o objetivo de substituir o petróleo e seus derivados, contribuindo significativamente para a redução dos impactos negativos ao meio ambiente, tais como o aquecimento global provocado pela queima dos combustíveis fósseis. Para que a produção de etanol celulósico seja economicamente viável é necessário que estas fontes lignocelulósicas sejam fracionadas de forma a disponibilizar a maior quantidade de carboidratos possível para o processo de fermentação alcoólica. Neste trabalho propôs-se avaliar a sacarificação enzimática dos materiais, palha de cana-de-açúcar, bagaço de cana-deaçúcar e pseudocaule de bananeira, nas formas -in natura?, pré-tratada e deslignificada de forma a verificar o efeito do pré-tratamento e da deslignificação no aumento da conversão enzimática da celulose de cada biomassa vegetal. Todos os materiais lignocelulósicos foram caracterizados quimicamente nas formas -in natura?, pré-tratada e deslignificada. Análises de FTIR para cada biomassa comprovaram a alteração na estrutura química proporcionada pelo pré-tratamento e deslignificação destes materiais. O pré-tratamento com H2SO4 1,0% (m/v) a 120 °C por 10 min, seguido de deslignificação com NaOH 1,0% (m/v) a 100 °C por 1h, ambos em reator piloto agitado de 350 L promoveu uma solubilização de 88,8 % de hemicelulose e 77,9% de lignina para a palha de cana, e uma solubilização de 79,3% de hemicelulose e 62,3% de lignina para o pseudocaule de bananeira. Já o bagaço de cana foi pré-tratado hidrotermicamente em reator de 20 L, nas condições, 180 °C/10 min, 185 °C/10 min, 190 °C/10 min e 195 °C/10 min, sendo que esta última condição, seguida de deslignificação com NaOH a 1,0% (m/v) a 100 °C por 1h proporcionou uma solubilização de 95,8% de hemicelulose e 80,9% de lignina para este material. Os ensaios de conversão enzimática dos materiais lignocelulósicos mostraram que a conversão celulósica aumentou consideravelmente, para todos os materiais, após o pré-tratamento seguido de deslignificação, atingindo 85% de conversão para a palha de cana, 89,2% de conversão para o bagaço de cana e 61,0% de conversão para o pseudocaule de bananeira. Após as etapas de pré-tratamento e deslignificação alcalina, os materiais lignocelulósicos apresentaram uma estrutura morfológica modificada, com as células vegetais livres de células de parênquima, conforme verificado pelas análises de MEV, e com redução da cristalinidade da celulose remanescente, conforme mostrado pelas análises de Difratometria de Raios X. Ensaios de fermentabilidade dos hidrolisados celulósicos de bagaço de cana utilizando a levedura Candida guilliermondii mostraram uma boa resposta da levedura à produção de etanol alcançando uma concentração máxima de 20 g/L. / The use of agroindustrials residues about lignocellulosics sources to obtain many chemicals products it\'s an alternative to contribute for the valuation of these subproducts. In this context, the ethanol produced by lignocellulosic materials it´s an interesting option for increase the production of this fuel without increase the agriculture area for production of biofuels, since the ethanol demand has increasing even more in the last years, with the objective of substitute the oil and his derivates, contribute significatively for reduce of negative impacts for environment, about the greenhouse gas impacts produced by burning of fossil fuels. For that production of cellulosic ethanol will be economic favorable it´s necessary that lignocellulosics sources will be fractionates for to make it available many carbohydrates possible for alcohol fermentation processes. This work had objective to evaluate enzymatic saccharification of materials, sugar cane straw, sugar cane bagasse and pseudosteam of banana, in this raw, pretreated and delignificated forms, for analyze the effect of pretreatment and delignification on the increase of enzymatic saccharification of cellulose wich biomass. Every lignocellulosic materials went submitted a chemical characterization in this raw, pretreated and delignificated forms. FTIR analysis for each biomass confirmed the change of chemical structure challenge for pretreatment and delignification of this materials. The pretreatment with H2SO4 1.0% (m/v), 120 °C, 10 min, followed of delignification with NaOH 1.0% (m/v), 100 °C, 1h, both in 350 L agitated reactor, promoted a solubilization of 88.8% for hemicellulose and 77.9% of lignin for sugar cane straw, and a solubilization of 79.3% for hemicellulose and 62.3% of lignin for pseudosteam of banana. The sugar cane bagasse went carried hydrothermal processing pretreatment on reactor of 20 L, in this conditions, 180 °C/10 min, 185 °C/10 min, 190 °C/10 min e 195 °C/10 min, although in this last condition, followed of delignification with NaOH 1,0% (m/v), 100 °C for 1h to affored a solubilization of 95.8% for hemicellulose and 80.9% of lignin for this material. The experiments of enzymatic saccharification of lignocellulosic materials showed that cellulosic conversion increased considerably, for all materials, after pretreatment followed of delignification, attaining 85% of conversion for the sugar cane straw, 89.2% of conversion for the sugar cane bagasse and 61% of conversion for the pseudosteam of banana. After pretreatments steps and alkaline delignification, the lignocellulosic materials showed changed morphologic estrutural, with vegetable cells lived of parenchyme cells, according to the SEM analysis, and with reduce of cellulose cristallinity remaining, according to the X Ray diffraction analysis. Experiments of fermentation of cellulosics hydrolysates of sugar cane bagasse using Candida guilliermondii it has showed a good reply of yeast for the ethanol production aimed the máxime concentration of 20 g/L.