Made available in DSpace on 2017-05-12T14:36:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTACAO AMANDA ALVES MESTRADO EM CIENCIAS FARMACEUTICAS _UNIOESTE 2015.pdf: 10598736 bytes, checksum: 51f0f3eb83858fee62392b7892930766 (MD5) Previous issue date: 2015-12-07 / Lignocellulosic biomass are the raw material most abundant and promising as a natural and renewable resource. These plant materials are complex carbohydrate polymer composed mainly of cellulose, hemicellulose and lignin, which are linked by covalent bonds and can be transformed into value-added products, such as biofuels. The degradation of lignocellulosic material is made mainly from enzymes produced by microorganisms such as filamentous fungi, yeast and bacteria. Ethanol production from agricultural residues, based on the enzymatic hydrolysis, it takes basically four stages: production of enzymes, pretreatment, enzymatic hydrolysis and fermentation. Pretreatment is a work that will break the lignin cellulose complex, reducing the degree of crystallinity of the cellulose and increase the porosity of the material, by increasing the surface area of the biomass. However, pre-treatment products can generate inhibitors which include phenolic and other aromatic, aliphatic acids, aldehydes, furans, inorganic ions. The fermentation and simultaneous saccharification is an important approach for producing cellulosic or ethanol of second generation, where the enzymatic hydrolysis of cellulose and fermentation are simultaneously carried out in the same reactor, in order to obtain ethanol at a high rate and decrease formation of inhibitor compounds. Enzymatic hydrolysis requires, first, that the lignocellulosic biomass is pretreated to increase access to enzymatic attack, so that later the cellulose is broken down by cellulase action. Xylanases include the group of enzymes responsible for the hydrolysis of xylan, the major constituent of hemicellulose. The key enzymes involved in this process are β-1,4-endoxylanase and β-D-xylosidase. Endoxylanase cleave glycosidic linkages of the main chain of xylan releasing xylo-oligosaccharides, which are used by β-xylosidase to produce monomers of xylose. The alfaproteobacteria Caulobacter crescentus is non pathogenic, Gram negative, mainly found in aquatic environments and on many types of soils. This bacterium has about seven genes directly associated with xylan degradation and five of them encoding β-xylosidases. To date, there are only three studies on the β-xylosidase II from C. crescentus. The first characterization of this enzyme showed that it is capable of hydrolyzing substrates such as xylobiose, xylotriose and xilopentose whose optimum pH is 6 and optimum temperature is 55°C, although it is stable at 50°C, which shows a thermotolerance, indicating strong enough to be used in different biotechnological applications. The stability and reusability of enzymes are of fundamental importance, since they reflect significantly on the cost of the final product, and one way to achieve this is with the immobilization of enzymes, consisting of confinement thereof in a matrix or support, which can be inert polymers or inorganic materials, so that its catalytic activity is retained and the enzyme can be used repeatedly and continuously. In the present report, it was found that the β-xylosidase II (CcXynB2) of Caulobacter crescentus increased by 62% of its activity in 5 mM KCl probably as a consequence of a positive role of K+ ions. CCxynB2 was measured against various compounds described as inhibitors of hydrolysis and fermentation of lignocellulosic biomass and showed 61% more tolerant incubation with ethanol (200 mM) at 37 °C for 48 h in the absence of alcohol. The specific activities of CcXynB2 were evaluated in the presence of 10mM phenol or galacturonic acid, 100 mM hydroxymethylfurfural or ferulic acid, 1 mM acetic acid, 200 mM arabinose, glucose or xylose and it was found that were equal (100%) or much higher than the values obtained in the total absence of these compounds after 48 h. When the inhibitors were used in combination, the CcXynB2 retained 67% of its initial activity after testing at 37°C during 48 h. The enzymatic hydrolysis of hemicellulose from corncob was conducted with CcXynB2 alone or in synergism with xylanase and commercial β-glycosidase, which were more efficient in performed the saccharification of hemicellulose from 37-50 °C. The immobilized CcXynB2 in mobile phase resin led to a protective effect of specific activity, which was proportionally parallel to decreased temperatures (60 to -20°C). The data presented here indicate that CcXynB2 is promising and has potential to work in simultaneous saccharification and fermentation processes for cellulosic ethanol production. To our knowledge, is the first time that similar results are reported in the literature to bacterial β-xylosidases. Thus, this work contribute positively by providing essential information to improve the use of β-xylosidase II of Caulobacter crescentus. / Biomassas lignocelulósicas constituem a matéria-prima mais abundante e promissora como recurso natural e renovável. Esses materiais vegetais são polímeros de carboidratos complexos compostos basicamente por celulose, hemicelulose e lignina, que estão unidos entre si por ligações covalentes e podem ser convertidos em produtos de valor agregado, como os biocombustíveis. A degradação dos materiais lignocelulósicos é feita a partir de enzimas produzidas principalmente por micro-organismos como fungos filamentosos, leveduras e bactérias. Para obter etanol a partir de resíduos agroindustriais, baseando-se na hidrólise enzimática, são necessárias, basicamente, quatro etapas: produção de enzimas, pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação. O pré-tratamento é o processo que irá dissociar o complexo lignina-celulose, reduzir o grau de cristalinidade da celulose e aumentar a porosidade dos materiais, através do aumento da área superficial da biomassa. No entanto, o pré-tratamento pode gerar produtos inibidores, que incluem compostos fenólicos e outros aromáticos, ácidos alifáticos, aldeídos, furanos, íons inorgânicos. A fermentação e sacarificação simultânea é uma estratégia importante para a produção de etanol celulósico ou de segunda geração, onde a hidrólise enzimática da celulose e a fermentação são desenvolvidas simultaneamente no mesmo reator, com o intuito de obter etanol em altas taxas e diminuir a formação de compostos inibidores. A hidrólise enzimática necessita, primeiramente, que a biomassa lignocelulósica seja pré-tratada para aumentar o acesso ao ataque enzimático, para que posteriormente a celulose seja quebrada pela ação de celulases. As xilanases compreendem o grupo de enzimas responsáveis pela hidrólise do xilano, principal constituinte da hemicelulose. As principais enzimas envolvidas nesse processo são β-1,4-endoxilanase e a β-D-xilosidase. Endoxilanases clivam as ligações glicosídicas da cadeia principal do xilano liberando xilo-oligossacarídeos, que são utilizados pelas β-xilosidases para liberar xilose. A alfaproteobactéria Caulobacter crescentus é não patogênica, Gram negativa, encontrada principalmente em ambientes aquáticos e em muitos tipos de solos. Essa bactéria apresenta cerca de sete genes envolvidos diretamente na degradação do xilano, sendo que cinco deles codificam para β-xilosidases. Até o momento, existem apenas três trabalhos sobre a β-xilosidase II de C. crescentus. A primeira caracterização da enzima mostrou que esta é capaz de hidrolisar substratos como xilobiose, xilotriose e xilopentose, cujo pH ótimo é 6 e temperatura ótima é 55ºC, embora seja mais estável em 50ºC, o que demonstra uma modesta termotolerância, indicando ser suficientemente resistente para diferentes aplicações biotecnológicas. A estabilidade e a possibilidade de reutilização de enzimas são de fundamental importância, pois refletem significativamente no custo do produto final, e uma forma de conseguir isso é com a imobilização de enzimas, que consiste no confinamento da mesma em uma matriz ou suporte, que podem ser polímeros inertes ou materiais inorgânicos, de modo que sua atividade catalítica fique retida e a enzima possa ser usada repetidamente e continuamente. No presente trabalho, verificou-se que a β-xilosidase II (CcXynB2) de Caulobacter crescentus aumentou 62% da sua atividade em 5 mM de KCl provavelmente em consequência de um papel positivo dos íons K+. CcXynB2 foi avaliada frente a diferentes compostos descritos como inibidores do processo de hidrólise e fermentação da biomassa lignocelulósica e mostrou-se 61% mais tolerante a incubação com etanol (200 mM) a atividades específicas da CcXynB2 foram avaliadas na presença de 10 mM fenol ou ácido galacturônico, 100 mM de hidroximetilfurfural ou ácido ferúlico, 1 mM de ácido acético, 200 mM de arabinose, glicose ou xilose, e verificou-se que foram iguais (100%) ou muito superiores aos valores obtidos na ausência total destes compostos após 48 h. Quando os inibidores foram usados em associação, a CcXynB2 reteve 67% da sua atividade inicial após 48 h de ensaio a 37ºC. A hidrólise enzimática da hemicelulose de sabugo de milho foi conduzida com CcXynB2 isoladamente ou em sinergismo com xilanase e β-glicosidase comerciais, as quais foram mais eficientes em sacarificar a hemicelulose entre 37-50ºC. A imobilização da CcXynB2 em resina de fase móvel levou a um efeito protetor da atividade específica, que ocorreu de forma paralela à diminuição de temperatura (60 a -20ºC). Os dados apresentados aqui indicam que a CcXynB2 é promissora e possui potencial para atuar em processos de sacarificação e fermentação simultânea para produção de etanol celulósico. Segundo nosso conhecimento, é a primeira vez que resultados similares são relatados na literatura para β-xilosidases bacterianas. Dessa forma, este trabalho pode contribuir positivamente, fornecendo informações fundamentais para aprimorar o uso da β-xilosidase II de Caulobacter crescentus

Made available in DSpace on 2017-07-10T13:59:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTACAO AMANDA ALVES MESTRADO EM CIENCIAS FARMACEUTICAS _UNIOESTE 2015.pdf: 10598736 bytes, checksum: 51f0f3eb83858fee62392b7892930766 (MD5) Previous issue date: 2015-12-07 / SIM(não especificado) / Lignocellulosic biomass are the raw material most abundant and promising as a natural and renewable resource. These plant materials are complex carbohydrate polymer composed mainly of cellulose, hemicellulose and lignin, which are linked by covalent bonds and can be transformed into value-added products, such as biofuels. The degradation of lignocellulosic material is made mainly from enzymes produced by microorganisms such as filamentous fungi, yeast and bacteria. Ethanol production from agricultural residues, based on the enzymatic hydrolysis, it takes basically four stages: production of enzymes, pretreatment, enzymatic hydrolysis and fermentation. Pretreatment is a work that will break the lignin cellulose complex, reducing the degree of crystallinity of the cellulose and increase the porosity of the material, by increasing the surface area of the biomass. However, pre-treatment products can generate inhibitors which include phenolic and other aromatic, aliphatic acids, aldehydes, furans, inorganic ions. The fermentation and simultaneous saccharification is an important approach for producing cellulosic or ethanol of second generation, where the enzymatic hydrolysis of cellulose and fermentation are simultaneously carried out in the same reactor, in order to obtain ethanol at a high rate and decrease formation of inhibitor compounds. Enzymatic hydrolysis requires, first, that the lignocellulosic biomass is pretreated to increase access to enzymatic attack, so that later the cellulose is broken down by cellulase action. Xylanases include the group of enzymes responsible for the hydrolysis of xylan, the major constituent of hemicellulose. The key enzymes involved in this process are β-1,4-endoxylanase and β-D-xylosidase. Endoxylanase cleave glycosidic linkages of the main chain of xylan releasing xylo-oligosaccharides, which are used by β-xylosidase to produce monomers of xylose. The alfaproteobacteria Caulobacter crescentus is non pathogenic, Gram negative, mainly found in aquatic environments and on many types of soils. This bacterium has about seven genes directly associated with xylan degradation and five of them encoding β-xylosidases. To date, there are only three studies on the β-xylosidase II from C. crescentus. The first characterization of this enzyme showed that it is capable of hydrolyzing substrates such as xylobiose, xylotriose and xilopentose whose optimum pH is 6 and optimum temperature is 55°C, although it is stable at 50°C, which shows a thermotolerance, indicating strong enough to be used in different biotechnological applications. The stability and reusability of enzymes are of fundamental importance, since they reflect significantly on the cost of the final product, and one way to achieve this is with the immobilization of enzymes, consisting of confinement thereof in a matrix or support, which can be inert polymers or inorganic materials, so that its catalytic activity is retained and the enzyme can be used repeatedly and continuously. In the present report, it was found that the β-xylosidase II (CcXynB2) of Caulobacter crescentus increased by 62% of its activity in 5 mM KCl probably as a consequence of a positive role of K+ ions. CCxynB2 was measured against various compounds described as inhibitors of hydrolysis and fermentation of lignocellulosic biomass and showed 61% more tolerant incubation with ethanol (200 mM) at 37 °C for 48 h in the absence of alcohol. The specific activities of CcXynB2 were evaluated in the presence of 10mM phenol or galacturonic acid, 100 mM hydroxymethylfurfural or ferulic acid, 1 mM acetic acid, 200 mM arabinose, glucose or xylose and it was found that were equal (100%) or much higher than the values obtained in the total absence of these compounds after 48 h. When the inhibitors were used in combination, the CcXynB2 retained 67% of its initial activity after testing at 37°C during 48 h. The enzymatic hydrolysis of hemicellulose from corncob was conducted with CcXynB2 alone or in synergism with xylanase and commercial β-glycosidase, which were more efficient in performed the saccharification of hemicellulose from 37-50 °C. The immobilized CcXynB2 in mobile phase resin led to a protective effect of specific activity, which was proportionally parallel to decreased temperatures (60 to -20°C). The data presented here indicate that CcXynB2 is promising and has potential to work in simultaneous saccharification and fermentation processes for cellulosic ethanol production. To our knowledge, is the first time that similar results are reported in the literature to bacterial β-xylosidases. Thus, this work contribute positively by providing essential information to improve the use of β-xylosidase II of Caulobacter crescentus. / Biomassas lignocelulósicas constituem a matéria-prima mais abundante e promissora como recurso natural e renovável. Esses materiais vegetais são polímeros de carboidratos complexos compostos basicamente por celulose, hemicelulose e lignina, que estão unidos entre si por ligações covalentes e podem ser convertidos em produtos de valor agregado, como os biocombustíveis. A degradação dos materiais lignocelulósicos é feita a partir de enzimas produzidas principalmente por micro-organismos como fungos filamentosos, leveduras e bactérias. Para obter etanol a partir de resíduos agroindustriais, baseando-se na hidrólise enzimática, são necessárias, basicamente, quatro etapas: produção de enzimas, pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação. O pré-tratamento é o processo que irá dissociar o complexo lignina-celulose, reduzir o grau de cristalinidade da celulose e aumentar a porosidade dos materiais, através do aumento da área superficial da biomassa. No entanto, o pré-tratamento pode gerar produtos inibidores, que incluem compostos fenólicos e outros aromáticos, ácidos alifáticos, aldeídos, furanos, íons inorgânicos. A fermentação e sacarificação simultânea é uma estratégia importante para a produção de etanol celulósico ou de segunda geração, onde a hidrólise enzimática da celulose e a fermentação são desenvolvidas simultaneamente no mesmo reator, com o intuito de obter etanol em altas taxas e diminuir a formação de compostos inibidores. A hidrólise enzimática necessita, primeiramente, que a biomassa lignocelulósica seja pré-tratada para aumentar o acesso ao ataque enzimático, para que posteriormente a celulose seja quebrada pela ação de celulases. As xilanases compreendem o grupo de enzimas responsáveis pela hidrólise do xilano, principal constituinte da hemicelulose. As principais enzimas envolvidas nesse processo são β-1,4-endoxilanase e a β-D-xilosidase. Endoxilanases clivam as ligações glicosídicas da cadeia principal do xilano liberando xilo-oligossacarídeos, que são utilizados pelas β-xilosidases para liberar xilose. A alfaproteobactéria Caulobacter crescentus é não patogênica, Gram negativa, encontrada principalmente em ambientes aquáticos e em muitos tipos de solos. Essa bactéria apresenta cerca de sete genes envolvidos diretamente na degradação do xilano, sendo que cinco deles codificam para β-xilosidases. Até o momento, existem apenas três trabalhos sobre a β-xilosidase II de C. crescentus. A primeira caracterização da enzima mostrou que esta é capaz de hidrolisar substratos como xilobiose, xilotriose e xilopentose, cujo pH ótimo é 6 e temperatura ótima é 55ºC, embora seja mais estável em 50ºC, o que demonstra uma modesta termotolerância, indicando ser suficientemente resistente para diferentes aplicações biotecnológicas. A estabilidade e a possibilidade de reutilização de enzimas são de fundamental importância, pois refletem significativamente no custo do produto final, e uma forma de conseguir isso é com a imobilização de enzimas, que consiste no confinamento da mesma em uma matriz ou suporte, que podem ser polímeros inertes ou materiais inorgânicos, de modo que sua atividade catalítica fique retida e a enzima possa ser usada repetidamente e continuamente. No presente trabalho, verificou-se que a β-xilosidase II (CcXynB2) de Caulobacter crescentus aumentou 62% da sua atividade em 5 mM de KCl provavelmente em consequência de um papel positivo dos íons K+. CcXynB2 foi avaliada frente a diferentes compostos descritos como inibidores do processo de hidrólise e fermentação da biomassa lignocelulósica e mostrou-se 61% mais tolerante a incubação com etanol (200 mM) a atividades específicas da CcXynB2 foram avaliadas na presença de 10 mM fenol ou ácido galacturônico, 100 mM de hidroximetilfurfural ou ácido ferúlico, 1 mM de ácido acético, 200 mM de arabinose, glicose ou xilose, e verificou-se que foram iguais (100%) ou muito superiores aos valores obtidos na ausência total destes compostos após 48 h. Quando os inibidores foram usados em associação, a CcXynB2 reteve 67% da sua atividade inicial após 48 h de ensaio a 37ºC. A hidrólise enzimática da hemicelulose de sabugo de milho foi conduzida com CcXynB2 isoladamente ou em sinergismo com xilanase e β-glicosidase comerciais, as quais foram mais eficientes em sacarificar a hemicelulose entre 37-50ºC. A imobilização da CcXynB2 em resina de fase móvel levou a um efeito protetor da atividade específica, que ocorreu de forma paralela à diminuição de temperatura (60 a -20ºC). Os dados apresentados aqui indicam que a CcXynB2 é promissora e possui potencial para atuar em processos de sacarificação e fermentação simultânea para produção de etanol celulósico. Segundo nosso conhecimento, é a primeira vez que resultados similares são relatados na literatura para β-xilosidases bacterianas. Dessa forma, este trabalho pode contribuir positivamente, fornecendo informações fundamentais para aprimorar o uso da β-xilosidase II de Caulobacter crescentus

A expansão do setor sucroenergético favoreceu o desenvolvimento da tecnologia de etanol de segunda geração (2G). No entanto, este é um processo que leva à geração de altíssimos volumes de resíduos, bem como o processo de primeira geração (1G). O principal deles é a vinhaça, que também apresenta elevado potencial poluidor. Nesse contexto, vê-se, portanto, a necessidade de se dar uma finalidade adequada ao resíduo. A digestão anaeróbia se tornou uma tecnologia muito disseminada e valorizada em outros países. Isso se deve às vantagens em gestão de resíduos e na geração de energia proporcionadas por essa tecnologia. O potencial de aplicação da vinhaça para produção de biogás é enorme, dado que é um resíduo muito rico em matéria orgânica e de grande disponibilidade no Brasil. A digestão anaeróbia precisa também ser desenvolvida para o resíduo do processo de etanol 2G, pois espera-se que as características da vinhaça gerada sejam diferentes. É importante a investigação da influência que a composição da vinhaça 2G pode ter sobre o processo da digestão anaeróbia e produção de biogás, e este foi o principal objetivo deste trabalho. Para isso, realizou-se inicialmente a caracterização de vinhaça 1G e de vinhaça 2G obtidas para o experimento deste estudo. A composição das duas vinhaças apresentou as principais diferenças para as concentrações de DQO, ácidos orgânicos (sobretudo o ácido acético), compostos fenólicos e sulfato. Foram obtidas concentrações de DQO de 30.732,80 mg O2 L-1 e 19.038,13 mg O2 L-1 para vinhaça 1G e vinhaça 2G, respectivamente. As concentrações de ácido acético e compostos fenólicos totais foram, respectivamente, 88,14% e 84,10% maiores na vinhaça 2G do que na vinhaça 1G. A concentração de sulfato na vinhaça 2G foi 28,11% menor que a concentração obtida na vinhaça 1G. A avaliação de processo de produção de biogás foi realizada em dois reatores metanogênicos, um utilizando vinhaça 1G como substrato e outro, utilizando vinhaça 2G. Os processos foram monitorados segundo a produção de biogás por DQO removida, produção de ácidos orgânicos, alcalinidade, remoção de compostos fenólicos, remoção de ânions e retenção de sólidos. Os efluentes dos reatores metanogênicos também foram caracterizados segundo o teor de cátions. O processo com vinhaça 2G teve produção de biogás quatro vezes maior que o processo com vinhaça 1G. Foram obtidos valores médios de 0,32 Lbiogás DQOremov-1 para o processo com vinhaça 2G e 0,08 Lbiogás DQOremov-1 para o processo com vinhaça 1G. De acordo com o monitoramento dos processos por alcalinidade e concentração de ácidos orgânicos, o processo com vinhaça 2G também se mostrou mais eficiente do que o processo com vinhaça 1G no que diz respeito ao consumo de matéria orgânica. A remoção de compostos fenólicos totais teve eficiência média de 56,96% para o processo utilizando vinhaça 2G, enquanto que o processo com vinhaça 1G não foi capaz de removê-los. Infere-se que a elevada concentração de ácido acético na vinhaça 2G tenha contribuído para o processo de produção de biogás. A alta disponibilidade de acetato favorece a atividade metabólica de arqueas metanogênicas, o que é fundamental para o equilíbrio químico da conversão de matéria orgânica em biogás. / The Sucroenergetic sector expansion has favored the development of second generation ethanol technology. However, the process leads to the production of large amounts of residues, as well as the first generation process. The main residue is the vinasse, which is very pollutant. In this context it becomes clear the need of giving an appropriate application for vinasse. Anaerobic digestion has turned into a very disseminated and very well accepted technology in many countries, which is mainly due to its results as an efficient waste management and energy generation. Vinasse has a great potential for biogas production through anaerobic digestion, since it is a residue with high organic matter and in large availability in Brazil. Such technology has to be developed also for the residues obtained through second generation ethanol process. With a different process, it is expected that residues composition might also be different. It is important to look into the influence that second generation vinasse composition may bring to anaerobic digestion. The purpose of this study was to investigate the effects of second generations vinasse composition over the biogas production process. Before experiments, first and second generation vinasses were characterized. The most remarkable differences for vinasses composition were obtained for COD concentration, organic acids concentration (specially for acetic acid), phenolic compounds and sulphate. COD concentrations were 30,732.80 mg O2 L-1 and 19,038.13 mg O2 L-1 for first generation vinasse and second generation vinasse, respectively. Acetic acid and total phenolic compounds were, respectively, 88.14% and 84.10% higher for second generation vinasse than those found for first generation vinasse. Sulphate concentration for second generation vinasse was 28.11% lower than first generation vinasse\'s concentration. Biogas production process was evaluated for two different methanogenic reactors: first generation vinasse was used as substrate for one reactor and second generation vinasse was used as substrate for the second one. Processes were monitored according to biogas production by removed COD, organic acids production, alkalinity, phenolic compounds removal, anions removal and solids retention. Both reactors had their effluents characterized by cations content. In the process carried out with second generation vinasse the biogas production was four times higher than in the process carried out with first generation vinasse. The average values were 0.08 Lbiogas CODremoved-1 and 0.32 Lbiogas CODremoved-1 for first and second generation, respectively. Considering processes monitoring by alkalinity and organic acids concentrations, the process carried out with second generation vinasse was more efficient in regards to organic matter consumption. The average efficiency for total phenolic compounds removal was 56.96% for the process using second generation as substrate. On the other hand, the process with first generation vinasse was not capable of consuming them. The results obtained in this study suggest that the high acetic acid concentration in second generation vinasse have contributed to biogas production. High acetate availability promotes archaeas metabolic activity, which is fundamental for chemical balance in converting organic matter into biogas.

No presente trabalho, dados de ampliacao de escala, de um processo de pre-tratamento alcalino em escala laboratorial (2L) para escala piloto (350L) foram avaliados. Os experimentos realizados previamente em escala laboratorial apontaram duas condições potenciais para a ampliacao de escala, a saber: Ensaio 5 (130°C, 30 min, 1,5% m/v NaOH, 0,15% m/m antraquinona) apresentando a maior conversao enzimatica da polpa obtida (64,5%) e Ensaio 7 (170°C, 1,5 % m/v NaOH, 30 min, 0,15% m/m antraquinona) com a maior solubilizacao de lignina (81,0 %). Os experimentos em escala piloto foram realizados nas condicoes apontadas, com e sem a adicao de antraquinona. A reprodutibilidade dos dados em escala piloto foi satisfatoria, considerando o sistema de aquecimento e agitacao mais eficientes do reator piloto em relacao ao reator usado no laboratorio. O uso da antraquinona diminuiu a solubilizacao de carboidratos durante o pretratamento (evitando 67% de solubilizacao quando comparado a reacao sem antraquinona, a 130°C), mas interferiu negativamente na etapa subsequente de hidrolise, principalmente na reacao a 170°C. Dentre as condicoes testadas, o ensaio 5Pil/AQ (130°C, 30 min, 1,5% NaOH e 0,15% m/m antraquinona) foi eleito como a melhor condicao de pre-tratamento, com maior rendimento em carboidratos apos a hidrolise enzimatica, sendo possivel obter (extrapolando os resultados) 290 kg de glicose e 98 kg de xilose a partir de uma tonelada de bagaco (base seca). Para a obtencao de etanol a partir desse hidrolisado, foram realizadas fermentacoes com tres diferentes leveduras - S. cerevisiae CAT-1, S. stipitis NRRL Y-7124 e S. passalidarum NRRL Y-27907. O melhor resultado foi apresentado para fermentacao em batelada alimentada aplicando reciclo de celulas utilizando a levedura S. passalidarum, produzindo 23,3 g/L de etanol (97 % do teorico) com produtividade de 0,90 g/L.h em 24 h de fermentacao no terceiro reciclo. O processo de pre-tratamento alcalino gera, alem da polpa rica em carboidratos, um hidrolisado rico em lignina. A lignina foi precipitada desse hidrolisado apos cada pre-tratamento realizado e caracterizada, apresentando poder calorifico entre 22,8 e 25,3 MJ/kg. / In this study, data scale up for an alkaline pretreatment process from lab to pilot scale was evaluated. Lab scale experiments indicated two potential conditions for the scale-up, namely: 130°C, 30 min, 1.5% w/v NaOH, 0.15% w/w anthraquinone , presenting the highest enzymatic conversion (64.5%); and 170°C, 30 min, 1.5% w/v NaOH, 0.15% w/w anthraquinone with the highest lignin solubilization (81.0 %). The experiments were performed on pilot scale under the aforementioned conditions, with and without anthraquinone. Data reproducibility on pilot scale was satisfactory considering the more efficient heating and stirring reactor system when compared to the reactor in lab scale. Anthraquinone decreases the solubilization of carbohydrates during pretreatment (avoiding 67% solubilization compared to the reaction without anthraquinone, at 130°C), but interferes negatively in the subsequent hydrolysis step, mostely at 170°C. Among the conditions tested, the test performed at 130°C, 30 min, 1.5% w/v NaOH and with 0.15% w/w anthraquinone was chosen as the best pretreatment condition, with the highest carbohydrate conversion after enzymatic hydrolysis, allowing 290 kg of glucose and 98 kg of xylose per a dry base ton of bagasse. In order to produce ethanol from this hydrolyzate, fermentations with three different yeasts were performed - S. cerevisiae CAT-1, S. stipites NRRL Y-7124, S. passalidarum NRRL Y-27907. Fed-batch fermentation with S. passalidarum cell recycling provided the best result, yielding 23.3 g/L ethanol, 97 % (theoretical yield) with 0.90 g/L.h productivity within 24 h of fermentation. The alkaline pretreatment process generates, besides the pulp rich in carbohydrates, a lignin-rich hydrolyzate. Lignin was precipitated from the hydrolyzate obtained after each pretreatment carried out and characterized, presenting heating values between 22.8 and 25.3 MJ/kg.

A expansão do setor sucroenergético favoreceu o desenvolvimento da tecnologia de etanol de segunda geração (2G). No entanto, este é um processo que leva à geração de altíssimos volumes de resíduos, bem como o processo de primeira geração (1G). O principal deles é a vinhaça, que também apresenta elevado potencial poluidor. Nesse contexto, vê-se, portanto, a necessidade de se dar uma finalidade adequada ao resíduo. A digestão anaeróbia se tornou uma tecnologia muito disseminada e valorizada em outros países. Isso se deve às vantagens em gestão de resíduos e na geração de energia proporcionadas por essa tecnologia. O potencial de aplicação da vinhaça para produção de biogás é enorme, dado que é um resíduo muito rico em matéria orgânica e de grande disponibilidade no Brasil. A digestão anaeróbia precisa também ser desenvolvida para o resíduo do processo de etanol 2G, pois espera-se que as características da vinhaça gerada sejam diferentes. É importante a investigação da influência que a composição da vinhaça 2G pode ter sobre o processo da digestão anaeróbia e produção de biogás, e este foi o principal objetivo deste trabalho. Para isso, realizou-se inicialmente a caracterização de vinhaça 1G e de vinhaça 2G obtidas para o experimento deste estudo. A composição das duas vinhaças apresentou as principais diferenças para as concentrações de DQO, ácidos orgânicos (sobretudo o ácido acético), compostos fenólicos e sulfato. Foram obtidas concentrações de DQO de 30.732,80 mg O2 L-1 e 19.038,13 mg O2 L-1 para vinhaça 1G e vinhaça 2G, respectivamente. As concentrações de ácido acético e compostos fenólicos totais foram, respectivamente, 88,14% e 84,10% maiores na vinhaça 2G do que na vinhaça 1G. A concentração de sulfato na vinhaça 2G foi 28,11% menor que a concentração obtida na vinhaça 1G. A avaliação de processo de produção de biogás foi realizada em dois reatores metanogênicos, um utilizando vinhaça 1G como substrato e outro, utilizando vinhaça 2G. Os processos foram monitorados segundo a produção de biogás por DQO removida, produção de ácidos orgânicos, alcalinidade, remoção de compostos fenólicos, remoção de ânions e retenção de sólidos. Os efluentes dos reatores metanogênicos também foram caracterizados segundo o teor de cátions. O processo com vinhaça 2G teve produção de biogás quatro vezes maior que o processo com vinhaça 1G. Foram obtidos valores médios de 0,32 Lbiogás DQOremov-1 para o processo com vinhaça 2G e 0,08 Lbiogás DQOremov-1 para o processo com vinhaça 1G. De acordo com o monitoramento dos processos por alcalinidade e concentração de ácidos orgânicos, o processo com vinhaça 2G também se mostrou mais eficiente do que o processo com vinhaça 1G no que diz respeito ao consumo de matéria orgânica. A remoção de compostos fenólicos totais teve eficiência média de 56,96% para o processo utilizando vinhaça 2G, enquanto que o processo com vinhaça 1G não foi capaz de removê-los. Infere-se que a elevada concentração de ácido acético na vinhaça 2G tenha contribuído para o processo de produção de biogás. A alta disponibilidade de acetato favorece a atividade metabólica de arqueas metanogênicas, o que é fundamental para o equilíbrio químico da conversão de matéria orgânica em biogás. / The Sucroenergetic sector expansion has favored the development of second generation ethanol technology. However, the process leads to the production of large amounts of residues, as well as the first generation process. The main residue is the vinasse, which is very pollutant. In this context it becomes clear the need of giving an appropriate application for vinasse. Anaerobic digestion has turned into a very disseminated and very well accepted technology in many countries, which is mainly due to its results as an efficient waste management and energy generation. Vinasse has a great potential for biogas production through anaerobic digestion, since it is a residue with high organic matter and in large availability in Brazil. Such technology has to be developed also for the residues obtained through second generation ethanol process. With a different process, it is expected that residues composition might also be different. It is important to look into the influence that second generation vinasse composition may bring to anaerobic digestion. The purpose of this study was to investigate the effects of second generations vinasse composition over the biogas production process. Before experiments, first and second generation vinasses were characterized. The most remarkable differences for vinasses composition were obtained for COD concentration, organic acids concentration (specially for acetic acid), phenolic compounds and sulphate. COD concentrations were 30,732.80 mg O2 L-1 and 19,038.13 mg O2 L-1 for first generation vinasse and second generation vinasse, respectively. Acetic acid and total phenolic compounds were, respectively, 88.14% and 84.10% higher for second generation vinasse than those found for first generation vinasse. Sulphate concentration for second generation vinasse was 28.11% lower than first generation vinasse\'s concentration. Biogas production process was evaluated for two different methanogenic reactors: first generation vinasse was used as substrate for one reactor and second generation vinasse was used as substrate for the second one. Processes were monitored according to biogas production by removed COD, organic acids production, alkalinity, phenolic compounds removal, anions removal and solids retention. Both reactors had their effluents characterized by cations content. In the process carried out with second generation vinasse the biogas production was four times higher than in the process carried out with first generation vinasse. The average values were 0.08 Lbiogas CODremoved-1 and 0.32 Lbiogas CODremoved-1 for first and second generation, respectively. Considering processes monitoring by alkalinity and organic acids concentrations, the process carried out with second generation vinasse was more efficient in regards to organic matter consumption. The average efficiency for total phenolic compounds removal was 56.96% for the process using second generation as substrate. On the other hand, the process with first generation vinasse was not capable of consuming them. The results obtained in this study suggest that the high acetic acid concentration in second generation vinasse have contributed to biogas production. High acetate availability promotes archaeas metabolic activity, which is fundamental for chemical balance in converting organic matter into biogas.

No presente trabalho, dados de ampliacao de escala, de um processo de pre-tratamento alcalino em escala laboratorial (2L) para escala piloto (350L) foram avaliados. Os experimentos realizados previamente em escala laboratorial apontaram duas condições potenciais para a ampliacao de escala, a saber: Ensaio 5 (130°C, 30 min, 1,5% m/v NaOH, 0,15% m/m antraquinona) apresentando a maior conversao enzimatica da polpa obtida (64,5%) e Ensaio 7 (170°C, 1,5 % m/v NaOH, 30 min, 0,15% m/m antraquinona) com a maior solubilizacao de lignina (81,0 %). Os experimentos em escala piloto foram realizados nas condicoes apontadas, com e sem a adicao de antraquinona. A reprodutibilidade dos dados em escala piloto foi satisfatoria, considerando o sistema de aquecimento e agitacao mais eficientes do reator piloto em relacao ao reator usado no laboratorio. O uso da antraquinona diminuiu a solubilizacao de carboidratos durante o pretratamento (evitando 67% de solubilizacao quando comparado a reacao sem antraquinona, a 130°C), mas interferiu negativamente na etapa subsequente de hidrolise, principalmente na reacao a 170°C. Dentre as condicoes testadas, o ensaio 5Pil/AQ (130°C, 30 min, 1,5% NaOH e 0,15% m/m antraquinona) foi eleito como a melhor condicao de pre-tratamento, com maior rendimento em carboidratos apos a hidrolise enzimatica, sendo possivel obter (extrapolando os resultados) 290 kg de glicose e 98 kg de xilose a partir de uma tonelada de bagaco (base seca). Para a obtencao de etanol a partir desse hidrolisado, foram realizadas fermentacoes com tres diferentes leveduras - S. cerevisiae CAT-1, S. stipitis NRRL Y-7124 e S. passalidarum NRRL Y-27907. O melhor resultado foi apresentado para fermentacao em batelada alimentada aplicando reciclo de celulas utilizando a levedura S. passalidarum, produzindo 23,3 g/L de etanol (97 % do teorico) com produtividade de 0,90 g/L.h em 24 h de fermentacao no terceiro reciclo. O processo de pre-tratamento alcalino gera, alem da polpa rica em carboidratos, um hidrolisado rico em lignina. A lignina foi precipitada desse hidrolisado apos cada pre-tratamento realizado e caracterizada, apresentando poder calorifico entre 22,8 e 25,3 MJ/kg. / In this study, data scale up for an alkaline pretreatment process from lab to pilot scale was evaluated. Lab scale experiments indicated two potential conditions for the scale-up, namely: 130°C, 30 min, 1.5% w/v NaOH, 0.15% w/w anthraquinone , presenting the highest enzymatic conversion (64.5%); and 170°C, 30 min, 1.5% w/v NaOH, 0.15% w/w anthraquinone with the highest lignin solubilization (81.0 %). The experiments were performed on pilot scale under the aforementioned conditions, with and without anthraquinone. Data reproducibility on pilot scale was satisfactory considering the more efficient heating and stirring reactor system when compared to the reactor in lab scale. Anthraquinone decreases the solubilization of carbohydrates during pretreatment (avoiding 67% solubilization compared to the reaction without anthraquinone, at 130°C), but interferes negatively in the subsequent hydrolysis step, mostely at 170°C. Among the conditions tested, the test performed at 130°C, 30 min, 1.5% w/v NaOH and with 0.15% w/w anthraquinone was chosen as the best pretreatment condition, with the highest carbohydrate conversion after enzymatic hydrolysis, allowing 290 kg of glucose and 98 kg of xylose per a dry base ton of bagasse. In order to produce ethanol from this hydrolyzate, fermentations with three different yeasts were performed - S. cerevisiae CAT-1, S. stipites NRRL Y-7124, S. passalidarum NRRL Y-27907. Fed-batch fermentation with S. passalidarum cell recycling provided the best result, yielding 23.3 g/L ethanol, 97 % (theoretical yield) with 0.90 g/L.h productivity within 24 h of fermentation. The alkaline pretreatment process generates, besides the pulp rich in carbohydrates, a lignin-rich hydrolyzate. Lignin was precipitated from the hydrolyzate obtained after each pretreatment carried out and characterized, presenting heating values between 22.8 and 25.3 MJ/kg.

O uso de resíduos agrícolas como fonte de carbono para a geração de energia renovável parece uma solução promissora para reduzir nossa dependência em combustíveis fósseis. Na natureza, como na compostagem, comunidades microbianas formam redes metabólicas complexas que degradam eficientemente a biomassa disponível através de um conjunto de enzimas sinérgicas. Entretanto, a desconstrução da lignocelulose continua uma desafio para a indústria devido a natureza recalcitrante do substrato e a baixa atividade das enzimas, aumentando o preço do biocombustível produzido. Estudos de metagenômica e metatranscriptômica de comunidades microbianas complexas tornam possível acessar as funções metabólicas empregadas por consórcios lignocelulolíticos e revelar novos biocatalisadores que podem melhorar a conversão industrial da lignocelulose. Aqui, através de uma abordagem metagenômica, foi examinada a diversidade de microrganismos obtidos em condições laboratoriais quando um meio definido ou um complexo foi usado no seu crescimento. Em seguida, a comunidade microbiana derivada de compostagem foi crescida em meio mínimo com bagaço de cana-de-açúcar como única fonte de carbono. A degradação do substrato foi monitorada e o metatranscriptoma da cultura resultante foi sequenciado, seguido pela seleção e caracterização funcional de vários alvos. Durante as cinco semanas de estudo, a comunidade microbiana crescida em meio mínimo mostrou maior diversidade e enriquecimento em microrganismos capazes de degradar a lignocelulose do que a comunidade microbiana crescida no meio complexo. A partir do metatranscriptoma foi descoberta a primeira hidrolase de glicosídeo da família 11 com atividade exoxilanase (C21). A estrutura cristalográfica da C21, refinada à 1,76 Å, revelou que a atividade exoxilanase observada se deve a presença de duas alças que não estão presentes nas demais estruturas dos membros da família 11 de hidrolase de glicosídeo depositadas até então. A adição da C21 a um coquetel comercial provocou um aumento na velocidade de hidrólise do Avicel quando na presença de xilooligômeros. As análises metagenômica e metatranscriptômica da comunidade microbiana proveniente da compostagem revelaram que o uso de um meio definido pode deslocar espécies generalistas, levando a uma fonte enriquecida para explorar enzimas com aplicação biotecnológica. Também demonstrou a diversidade de mecanismos envolvidos na degradação in situ da lignocelulose. / Using of the globally abundant crop residues as carbon source for energy generation seems a promising solution to reduce our dependency on fossil fuels. In nature, such as in compost habitats, microbial communities create complex metabolic networks that efficiently degrade the available plant biomass using a set of synergistic enzymes. However, deconstruction of lignocellulose remains a challenge for industry due to recalcitrant nature of the substrate and enzymes low activity, raising the price of the produced biofuel. Metagenomics and metatranscriptomics studies on complex microbial communities can assess the metabolic functions employed by the lignocellulolytic consortia and unveil novel biocatalysts that could improve industrial lignocellulose conversion. Here, using 16S rRNA amplicon metagenomic approach, we examined the diversity of microorganisms obtained in the laboratory setting when a nutrient-limited or nutrient-rich media are used. Then, a microbial community derived from compost was grown in minimal medium with sugarcane bagasse as a sole carbon source. The substrate degradation was monitored and the metatranscriptome from the resulting cultures was sequenced; several target genes were selected and functional characterized. During a five-week time course, the microbial community grown in minimal medium showed greater diversity and enrichment in lignocellulose-degrading microorganisms than the one grown in nutrient rich medium. Metatranscriptomics analysis revealed the first glycoside hydrolase from family 11 with exo-xylanase activity (C21). C21 crystal structure, refined at 1.76 Å, explained the molecular basis of exo-xylanase activity due to two extra loops previously unseen in the other reported structures from members from glycoside hydrolase family 11. A supplementation of commercial enzyme mix with C21 showed improvement in Avicel hydrolysis in the presence of inhibitory xylooligomers. The combination of metagenomic and metatranscriptomic analysis of compost-derived microbial community showed that nutrient-limited medium may displace bacterial generalist species, leading to an enriched source for mining novel enzymes for biotechnology applications. It also unveiled a diversity of mechanisms involved in lignocellulose degradation in situ.

Submitted by GIOVANA ROBERTA FRANCISCO BRONZATO null (giba_roberta@hotmail.com) on 2016-07-30T22:47:31Z No. of bitstreams: 1 Dissertação8.pdf: 3329976 bytes, checksum: 1e0d85f78fcf14b969e03a86c3ce4b3e (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-08-02T14:18:50Z (GMT) No. of bitstreams: 1 bronzato_grf_me_bot.pdf: 3329976 bytes, checksum: 1e0d85f78fcf14b969e03a86c3ce4b3e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-02T14:18:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 bronzato_grf_me_bot.pdf: 3329976 bytes, checksum: 1e0d85f78fcf14b969e03a86c3ce4b3e (MD5) Previous issue date: 2016-07-18 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A Eichhornia crassipes, conhecida popularmente como aguapé, é uma macrófita aquática nativa no Brasil que tem um grande poder de adaptação e uma taxa de crescimento muito elevada, chegando a cobrir o leito de um rio em poucas semanas. Por esses motivos, atualmente, esse vegetal é considerado uma praga, pois sua grande quantidade causa danos ambientais a corpos hídricos, como a eutrofização desses habitats e no setor econômico prejudica a navegação e a produção de energia, pois se prendem aos motores e as turbinas, respectivamente. Uma alternativa para resolver o problema do excesso de aguapé é utilizar a sua biomassa para a produção de etanol de segunda geração, uma tecnologia que utiliza a celulose dos vegetais como matéria-prima. Nesta dissertação foram estudadas algumas rotas de produção, com a intenção de encontrar uma metodologia eficiente para a produção de etanol 2G a partir do aguapé. Para isso foram utilizados quatro diferentes processos químicos de pré-tratamento, auto-hidrólise, hidrólise com peróxido de hidrogênio, e hidrólise com os ácidos sulfúrico e acético, e duas formas de hidrólise enzimática, simultânea ou separada do processo de fermentação alcoólica. Pela caracterização química e pelas análises de TG-DTA, XRD e FTIR, foi possível determinar que a hidrólise com ácido sulfúrico é o pré-tratamento mais eficiente e que os processos de hidrólise enzimática e fermentação alcoólica simultâneas apresentam uma maior produtividade. Em um ano, com apenas um hectare, em corpos hídricos, de aguapé, é possível produzir 265 litros de etanol. / Water hyacinth, Eichhornia crassipes, is a native macrophyte from Brazil that has a great ability to adapt and a very high growth rate, reaching to cover the riverbed in a few weeks. For these reasons, currently, water hyacinth is considered a pest because its large amount causes environmental damage to the rivers and lakes, such as eutrophication of these habitats, and economic sector, affecting navigation and energy production because they are arrested to engines and turbines respectively. An alternative to resolve the excess water hyacinth problem is to use its biomass to second generation ethanol production, which technology use cellulose like feedstock. In this work were studied some ways to optimize the production of 2G ethanol from water hyacinth. For this were used different chemical pre-treatment processes (hydrolysis with water, peroxide, sulfuric and acetic acids), and two way to enzymatic hydrolysis (SSF and SHF). Through the chemical characterization and TG-DTA, XRD and FTIR analyses, was possible to determine that sulfuric acid hydrolysis is the pretreatment more effective and that SSF has the bigger productivity. In one year, from one hectare covered by water hyacinth, it's possible to produce 265 liters of ethanol.

O uso de resíduos agrícolas como fonte de carbono para a geração de energia renovável parece uma solução promissora para reduzir nossa dependência em combustíveis fósseis. Na natureza, como na compostagem, comunidades microbianas formam redes metabólicas complexas que degradam eficientemente a biomassa disponível através de um conjunto de enzimas sinérgicas. Entretanto, a desconstrução da lignocelulose continua uma desafio para a indústria devido a natureza recalcitrante do substrato e a baixa atividade das enzimas, aumentando o preço do biocombustível produzido. Estudos de metagenômica e metatranscriptômica de comunidades microbianas complexas tornam possível acessar as funções metabólicas empregadas por consórcios lignocelulolíticos e revelar novos biocatalisadores que podem melhorar a conversão industrial da lignocelulose. Aqui, através de uma abordagem metagenômica, foi examinada a diversidade de microrganismos obtidos em condições laboratoriais quando um meio definido ou um complexo foi usado no seu crescimento. Em seguida, a comunidade microbiana derivada de compostagem foi crescida em meio mínimo com bagaço de cana-de-açúcar como única fonte de carbono. A degradação do substrato foi monitorada e o metatranscriptoma da cultura resultante foi sequenciado, seguido pela seleção e caracterização funcional de vários alvos. Durante as cinco semanas de estudo, a comunidade microbiana crescida em meio mínimo mostrou maior diversidade e enriquecimento em microrganismos capazes de degradar a lignocelulose do que a comunidade microbiana crescida no meio complexo. A partir do metatranscriptoma foi descoberta a primeira hidrolase de glicosídeo da família 11 com atividade exoxilanase (C21). A estrutura cristalográfica da C21, refinada à 1,76 Å, revelou que a atividade exoxilanase observada se deve a presença de duas alças que não estão presentes nas demais estruturas dos membros da família 11 de hidrolase de glicosídeo depositadas até então. A adição da C21 a um coquetel comercial provocou um aumento na velocidade de hidrólise do Avicel quando na presença de xilooligômeros. As análises metagenômica e metatranscriptômica da comunidade microbiana proveniente da compostagem revelaram que o uso de um meio definido pode deslocar espécies generalistas, levando a uma fonte enriquecida para explorar enzimas com aplicação biotecnológica. Também demonstrou a diversidade de mecanismos envolvidos na degradação in situ da lignocelulose. / Using of the globally abundant crop residues as carbon source for energy generation seems a promising solution to reduce our dependency on fossil fuels. In nature, such as in compost habitats, microbial communities create complex metabolic networks that efficiently degrade the available plant biomass using a set of synergistic enzymes. However, deconstruction of lignocellulose remains a challenge for industry due to recalcitrant nature of the substrate and enzymes low activity, raising the price of the produced biofuel. Metagenomics and metatranscriptomics studies on complex microbial communities can assess the metabolic functions employed by the lignocellulolytic consortia and unveil novel biocatalysts that could improve industrial lignocellulose conversion. Here, using 16S rRNA amplicon metagenomic approach, we examined the diversity of microorganisms obtained in the laboratory setting when a nutrient-limited or nutrient-rich media are used. Then, a microbial community derived from compost was grown in minimal medium with sugarcane bagasse as a sole carbon source. The substrate degradation was monitored and the metatranscriptome from the resulting cultures was sequenced; several target genes were selected and functional characterized. During a five-week time course, the microbial community grown in minimal medium showed greater diversity and enrichment in lignocellulose-degrading microorganisms than the one grown in nutrient rich medium. Metatranscriptomics analysis revealed the first glycoside hydrolase from family 11 with exo-xylanase activity (C21). C21 crystal structure, refined at 1.76 Å, explained the molecular basis of exo-xylanase activity due to two extra loops previously unseen in the other reported structures from members from glycoside hydrolase family 11. A supplementation of commercial enzyme mix with C21 showed improvement in Avicel hydrolysis in the presence of inhibitory xylooligomers. The combination of metagenomic and metatranscriptomic analysis of compost-derived microbial community showed that nutrient-limited medium may displace bacterial generalist species, leading to an enriched source for mining novel enzymes for biotechnology applications. It also unveiled a diversity of mechanisms involved in lignocellulose degradation in situ.

Dentre as etapas de produção do etanol de segunda geração tem-se no pré-tratamento da biomassa um dos pontos cruciais, uma vez que a eficiência deste processo está diretamente ligada à maior produção de monossacarídeos fermentáveis após hidrólise e consequentemente maior produtividade de etanol. Dentro deste contexto, no presente trabalho estudou-se o efeito da presença de espécies químicas derivadas do ácido bórico durante pré-tratamento alcalino de palha de soja (matéria-prima abundante no Brasil e ainda inexplorada), visando uma solubilização mais seletiva da lignina em condições brandas, onde a recuperação de carboidratos possa ser superior. Numa primeira etapa estudou-se através de metodologia de superfície de resposta (planejamento composto central) o efeito da concentração inicial de ácido bórico (0,06 a 0,49 mol/l), pH (9,27 a 13,00) e tempo de pré-tratamento (80 min a 280 min) na porcentagem de solubilização da biomassa e recuperação de carboidratos (glicose e xilose) após hidrólise enzimática - experimentos foram conduzidos em temperatura de refluxo. Os resultados mostraram que o tempo não tem efeito significativo dentro do intervalo estudado, e que as superfícies de resposta da porcentagem de solubilização e recuperação de monossacarídeos possuem comportamentos distintos. A máxima recuperação de monossacarídeos pode ser obtida teoricamente utilizando-se 0,33 mol/l de ácido bórico com tendência crescente da resposta conforme se aumenta o pH do meio, enquanto a porcentagem de solubilização indica um crescimento contínuo conforme se aumentam concomitantemente a concentração de ácido bórico e pH. Na melhor condição testada foram obtidos rendimentos de monossacarídeos superiores em 181,2% (glicose) e 507,8% (xilose) com relação à biomassa não tratada. Numa segunda etapa estudou-se comparativamente o pré-tratamento em três valores de pH diferentes (9,27, 11,10 e 13,00) na presença (0,28 mol/l) e ausência de ácido bórico inicial, constatando-se que em todas as condições onde existiam espécies derivadas do ácido bórico (comparadas para um mesmo pH) foram obtidos maiores valores de recuperação de monossacarídeos. Resultados obtidos pelas técnicas de FTIR, TG/DTG, MEV e DRX comprovaram a maior deslignificação em condições onde se tinha ácido bórico inicial presente. Pode-se concluir que a presença de espécies químicas derivadas do ácido bórico (pKa aproximadamente 9,27) em meio alcalino promovem uma maior deslignificação do material lignocelulósico, e que tal comportamento se deve provavelmente à complexação de íons borato (principal íon presente em soluções alcalinas) aos grupos fenólicos da lignina, promovendo desta forma uma maior solubilização e/ou impedindo que fragmentos obtidos da degradação desta se repolimerizem e se depositem novamente sobre a biomassa. / Among the second-generation ethanol production stages, one of the crucial points is the biomass pretreatment since its efficiency is directly linked to the higher production of fermentable monosaccharides after hydrolysis and consequently higher ethanol productivity. In this context, the effect of the presence of boric acid-based chemical species during alkaline pretreatment of soybean straw (a raw material abundant in Brazil and still unexplored) was studied, aiming at a more selective solubilization of lignin in soft conditions, where cellulose and hemicellulose recoveries may be higher. In a first step, the effects of the initial concentration of boric acid (0,06 to 0,49 mol / l), pH (9,27 to 13,00) and pretreatment time (80 min to 280 min) were studied through response surface methodology (central composite design) considering as responses the percentage of biomass solubilization and recovery of monosaccharides (glucose and xylose) after enzymatic hydrolysis - pretreatment experiments were conducted at reflux temperature. The results showed that the time has no significant effect within the range studied, and that the response surfaces of the solubilization and recovery percentage of monosaccharides have different behaviors. The maximum recovery of monosaccharides can be theoretically obtained using 0.33 mol/l of boric acid with increasing tendency as the pH of the medium is increased, while the percentage of solubilization indicates a continuous growth as the boric acid concentration and pH concomitantly increases. In the best tested condition, yields of monosaccharides with 181.2% (glucose) and 507.8% (xylose) were obtained in relation to the crude biomass. In a second step, the pretreatment was studied in three different pH values (9,27, 11,10 and 13,00) in the presence (0,28 mol / l) and absence of boric acid, being verified that in all conditions where boric acid had been added (compared to the same pH) there was a greater recovery of monosaccharides. Results obtained by FTIR, TG / DTG, SEM and XRD showed higher delignification under conditions where boric acid was present. It can be concluded that the presence of boric acid-derived chemical species (pKa approximately 9,27) in alkaline media promotes a greater delignification of the lignocellulosic material, and that this behavior is probably due to the complexation of borate ions (main ion present in alkaline solutions) to the phenolic groups of the lignin, promoting in this way a greater solubilization and / or preventing fragments of this one from being repolymerized and deposited again on the biomass.