Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The energy crisis caused by the exhaustion of fossil fuels and environmental problems has caused concerns of researchers and, consequently, causing them to seek alternatives to replace fossil fuels with renewable sources. An interesting alternative is the use of solid-state fermentation for biofuels production using agricultural residues as a source of fermentable sugars. In Rio Grande do Sul, about 10 million tons of rice a year are produced in the state, producing around 3 million tons of rice husk and 1.5 million tons of rice bran. Such wastes have great potential for the production of bioethanol, but there are no proper techniques to date for the industrial production of ethanol by these wastes. The ethanol extraction technique from the solid state fermentation process is techniques should be improved so that the process becomes efficient and environmentally friendly. Thus, in this work was carried out a preliminary step to ethanol production process by solid state fermentation, evaluating an ethanol extraction method using distilled water as solvent. In this step, we evaluated parameters influencing the fermentation process (moisture content and initial concentration of ethanol) and the extraction process (temperature, agitation and solid-liquid ratio). Set the extraction conditions, the experimental design methodology was used in order to identify the significant variables in the process of solid state fermentation for ethanol production through the application of a design Plackett & Burmann experiments. The response surface methodology was used to perform process optimization, based on the evaluation of a central composite rotational design (CCRD). For end a scale-up of the simultaneous saccharification and solid state fermentation process was proposed, reaching a final ethanol concentration of 143.88 g EtOH / kg substrate. / A crise energética causada pela exaustão de combustíveis fósseis e problemas ambientais tem causado preocupações de pesquisadores e, consequentemente, fazendo com que os mesmos procurem alternativas para substituir os combustíveis fósseis por fontes renováveis. Uma alternativa interessante é o uso da fermentação em estado sólido para produção de biocombustíveis, utilizando resíduos agroindustriais como fonte de açúcares fermentáveis. No Rio Grande do Sul, cerca de 10 milhões de toneladas de arroz são produzidas por ano no Estado, produzindo em torno de 3 milhões de toneladas de casca de arroz e 1,5 milhão de toneladas de farelo de arroz. Tais resíduos apresentam grande potencial para a produção de bioetanol, porém não há técnicas adequadas até o momento para a produção industrial de etanol através destes resíduos. A técnica de extração de etanol proveniente do processo de fermentação em estado sólido é uma das técnicas que devem ser aprimoradas para que o processo se torne eficiente e ambientalmente correto. Com isso, neste trabalho foi realizada uma etapa preliminar ao processo de produção de etanol por fermentação em estado sólido, avaliando um método de extração de etanol utilizando água destilada como solvente. Nesta etapa, foram avaliados parâmetros que influenciam o processo fermentativo (teor de umidade, e concentração inicial de etanol) e o processo de extração (temperatura, agitação e razão sólido-líquido). Fixadas as condições de extração, a metodologia de planejamento de experimentos foi utilizada com objetivo de identificar as variáveis significativas no processo de fermentação em estado sólido para a produção de etanol, através da aplicação de um design de experimentos Plackett & Burmann. O método de superfície de resposta foi utilizado para realizar a otimização do processo, com base na avaliação de um delineamento composto central rotacional (DCCR). Por fim, foi proposto um aumento de escala do processo de sacarificação e fermentação simultânea em estado sólido, atingindo uma concentração de etanol final de 143,88 g EtOH/ kg substrato.

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

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