As tecnologias de conversão de biomassa para produção de biocombustíveis são principalmente desenvolvidas de forma empírica, baseadas na compreensão das suas propriedades biológicas e químicas. Muitos estudos de variações de parâmetros de processo são realizados, porém todos encontram dificuldades na compreensão do que ocorre com o material lignocelulósico durante as reações. Neste contexto, os estudos topoquímicos tornam-se uma ferramenta de fundamental importância para elucidar estes mecanismos. Este trabalho tem por objetivo avaliar diferentes condições de pré-tratamento hidrotérmico seguida de deslignificação alcalina de bagaço e palha de cana de açúcar. E, a partir de uma condição otimizada, compreender, o que ocorre com a parede celular vegetal durante estes processos de modificação. O bagaço e a palha de cana apresentaram comportamentos distintos ao final do seu processamento. Observou-se uma maior mudança morfológica do bagaço comparado à palha, a qual apresentou exposição das fibras, porém ainda agregadas. Tal fato pode ser explicado pela menor remoção de lignina e hemicelulose desta biomassa quando comparada as mesmas condições de processamento do bagaço. Este fator contribuiu para uma maior digestibilidade da celulose de bagaço, devido a uma área maior de contato da enzima com o substrato e minimização da interferência de inibidores, como a lignina. As condições de pré-tratamento mais promissoras para o bagaço e a palha foram a 180oC por 20 e 30 min. respectivamente, mostrando que a palha necessita de tratamentos mais prolongados para obter uma maior digestibilidade no processo de hidrolise enzimática. A condição otimizada para o bagaço de cana foi utilizada para caracterização das mudanças que ocorrem nas células de parênquima e feixes vasculares do colmo da cana, em diferentes regiões de crescimento, após o seu processamento. Os resultados mostraram uma variação de tamanho das células em função do crescimento da planta sendo a diferença entre medula e casca mais pronunciada para a região do topo da cana, onde observou-se 60% de diferença no tamanho das células de parênquima. Além disso, observou-se que após processamento estas células e os feixes vasculares perderam sua conformação estrutural e tornaram-se mais frágeis, após secagem, evidenciando a significativa remoção dos componentes estruturais. Os dados de microscopia Raman revelaram que a lignina das células de parênquima foi totalmente removida após a deslignificação, diferentemente do que ocorreu com os feixes vasculares, os quais apresentaram lignina principalmente localizada nos cantos das células. Em relação à orientação de celulose foi possível determinar que a parte inicial do colmo da cana apresenta duas direções preferenciais de orientação, sendo uma paralela e outra perpendicular ao eixo de crescimento da planta, que podem estar associadas à fase de maturação da cana que se apresenta incompleta, uma vez que a parte intermediária e topo da cana apresentam apenas uma direção preferencial evidenciando que a contribuição da camada S1 é proeminente, sendo a camada secundária S2 ainda não depositada. Outro indicativo de maturação incompleta pode ser associado à porosidade do parênquima e feixes vasculares, os quais apresentam o topo da cana mais poroso, que indica um processo de lignificação incompleto. Os resultados revelam que o processo de pré-tratamento contribui para um aumento de até 54% na porosidade, sendo este tratamento o mais impactante nesta variável, uma vez que o processo de deslignificação não alterou significativamente a porosidade das células. / Studies of fuels from renewable sources are a topic of fundamental importance. Taking into account, the production of ethanol from biomass, such as bagasse and straw sugarcane, offers benefits to sustainable production and energy security. Biomass conversion technologies are mainly developed empirically, based on chemical and biological properties of biomass and many studies include variations of parameters of process. But there are difficulties to understand the changes of the lignocellulosic material during reactions. In this context, topochemical studies are a tool of significant importance to elucidate these characteristics. This study aims to evaluate different conditions of hydrothermal pretreatment followed by a fixed condition of alkaline delignification of straw and bagasse sugarcane. Additionally, this work deals the evaluation of plant cell wall modification during hydrothermal pretreatment an alkaline delignification in the optimized condition, considering the best cellulose digestibility at enzymatic hydrolysis process of bagasse. Results reveal a different behavior of bagasse and straw from sugarcane at the end of its processing. There was a greater morphological change of sugarcane bagasse compared to straw, which presented exposure of the fibers, but also aggregated. This fact can be explained by less removal of lignin and hemicellulose of this biomass compared to the same processing conditions of bagasse. The exposure of fibers contributed to increase the cellulose of bagasse digestibility, since there was a greater area of contact of the enzyme with the substrate and a minimization of interference from inhibitors, such as lignin. The conditions of pretreatment most promising for bagasse and straw sugarcane were 180oC for 20 and 30 min. respectively, showing that the straw requires longer treatments to reach a higher digestibility in the enzymatic hydrolysis process. The optimal condition for the sugarcane bagasse was used to characterize the changes in parenchyma cells and vascular bundles from stalk of sugarcane at different growth regions, after its processing. The results showed a variation of cell size depending on growth of the plant. The top of sugarcane stalk presented the more pronounced difference between parenchyma cells from pith and rind region. Furthermore, it was observed that after processing these cells and vascular bundles lost its structural conformation and become more fragile after drying. This result indicated the significant removal of the structural components for all growth region of sugarcane stalk analyzed. Differently from vascular bundles, which presented lignin mainly located in the cell corners, the lignin from parenchyma cells was completely removed after delignification. Regarding the orientation of cellulose, determined by SAXS and Raman microscopy, the parenchyma cells from initial part of stalk presented two preferential directions of orientation, one parallel and other perpendicular to the axis of plant growth. This feature may be associated with maturation phase of sugarcane which appears incomplete, since the middle and top part of the stalk showed only one preferred direction, indicating that the contribution of the layer S1 is prominent, and the S2 layer is not deposited. Another indication of incomplete maturation process may be associated with porosity of parenchyma and vascular bundles, which have the top of the cane more porous that indicates an incomplete lignification process. The results showed that the pretreatment can be considered the most important treatment which affects this variable, since promotes an increase of up to 54% in porosity, differently of alkaline delignification process which no presented significant changes in the porosity of the cells.

As tecnologias de conversão de biomassa para produção de biocombustíveis são principalmente desenvolvidas de forma empírica, baseadas na compreensão das suas propriedades biológicas e químicas. Muitos estudos de variações de parâmetros de processo são realizados, porém todos encontram dificuldades na compreensão do que ocorre com o material lignocelulósico durante as reações. Neste contexto, os estudos topoquímicos tornam-se uma ferramenta de fundamental importância para elucidar estes mecanismos. Este trabalho tem por objetivo avaliar diferentes condições de pré-tratamento hidrotérmico seguida de deslignificação alcalina de bagaço e palha de cana de açúcar. E, a partir de uma condição otimizada, compreender, o que ocorre com a parede celular vegetal durante estes processos de modificação. O bagaço e a palha de cana apresentaram comportamentos distintos ao final do seu processamento. Observou-se uma maior mudança morfológica do bagaço comparado à palha, a qual apresentou exposição das fibras, porém ainda agregadas. Tal fato pode ser explicado pela menor remoção de lignina e hemicelulose desta biomassa quando comparada as mesmas condições de processamento do bagaço. Este fator contribuiu para uma maior digestibilidade da celulose de bagaço, devido a uma área maior de contato da enzima com o substrato e minimização da interferência de inibidores, como a lignina. As condições de pré-tratamento mais promissoras para o bagaço e a palha foram a 180oC por 20 e 30 min. respectivamente, mostrando que a palha necessita de tratamentos mais prolongados para obter uma maior digestibilidade no processo de hidrolise enzimática. A condição otimizada para o bagaço de cana foi utilizada para caracterização das mudanças que ocorrem nas células de parênquima e feixes vasculares do colmo da cana, em diferentes regiões de crescimento, após o seu processamento. Os resultados mostraram uma variação de tamanho das células em função do crescimento da planta sendo a diferença entre medula e casca mais pronunciada para a região do topo da cana, onde observou-se 60% de diferença no tamanho das células de parênquima. Além disso, observou-se que após processamento estas células e os feixes vasculares perderam sua conformação estrutural e tornaram-se mais frágeis, após secagem, evidenciando a significativa remoção dos componentes estruturais. Os dados de microscopia Raman revelaram que a lignina das células de parênquima foi totalmente removida após a deslignificação, diferentemente do que ocorreu com os feixes vasculares, os quais apresentaram lignina principalmente localizada nos cantos das células. Em relação à orientação de celulose foi possível determinar que a parte inicial do colmo da cana apresenta duas direções preferenciais de orientação, sendo uma paralela e outra perpendicular ao eixo de crescimento da planta, que podem estar associadas à fase de maturação da cana que se apresenta incompleta, uma vez que a parte intermediária e topo da cana apresentam apenas uma direção preferencial evidenciando que a contribuição da camada S1 é proeminente, sendo a camada secundária S2 ainda não depositada. Outro indicativo de maturação incompleta pode ser associado à porosidade do parênquima e feixes vasculares, os quais apresentam o topo da cana mais poroso, que indica um processo de lignificação incompleto. Os resultados revelam que o processo de pré-tratamento contribui para um aumento de até 54% na porosidade, sendo este tratamento o mais impactante nesta variável, uma vez que o processo de deslignificação não alterou significativamente a porosidade das células. / Studies of fuels from renewable sources are a topic of fundamental importance. Taking into account, the production of ethanol from biomass, such as bagasse and straw sugarcane, offers benefits to sustainable production and energy security. Biomass conversion technologies are mainly developed empirically, based on chemical and biological properties of biomass and many studies include variations of parameters of process. But there are difficulties to understand the changes of the lignocellulosic material during reactions. In this context, topochemical studies are a tool of significant importance to elucidate these characteristics. This study aims to evaluate different conditions of hydrothermal pretreatment followed by a fixed condition of alkaline delignification of straw and bagasse sugarcane. Additionally, this work deals the evaluation of plant cell wall modification during hydrothermal pretreatment an alkaline delignification in the optimized condition, considering the best cellulose digestibility at enzymatic hydrolysis process of bagasse. Results reveal a different behavior of bagasse and straw from sugarcane at the end of its processing. There was a greater morphological change of sugarcane bagasse compared to straw, which presented exposure of the fibers, but also aggregated. This fact can be explained by less removal of lignin and hemicellulose of this biomass compared to the same processing conditions of bagasse. The exposure of fibers contributed to increase the cellulose of bagasse digestibility, since there was a greater area of contact of the enzyme with the substrate and a minimization of interference from inhibitors, such as lignin. The conditions of pretreatment most promising for bagasse and straw sugarcane were 180oC for 20 and 30 min. respectively, showing that the straw requires longer treatments to reach a higher digestibility in the enzymatic hydrolysis process. The optimal condition for the sugarcane bagasse was used to characterize the changes in parenchyma cells and vascular bundles from stalk of sugarcane at different growth regions, after its processing. The results showed a variation of cell size depending on growth of the plant. The top of sugarcane stalk presented the more pronounced difference between parenchyma cells from pith and rind region. Furthermore, it was observed that after processing these cells and vascular bundles lost its structural conformation and become more fragile after drying. This result indicated the significant removal of the structural components for all growth region of sugarcane stalk analyzed. Differently from vascular bundles, which presented lignin mainly located in the cell corners, the lignin from parenchyma cells was completely removed after delignification. Regarding the orientation of cellulose, determined by SAXS and Raman microscopy, the parenchyma cells from initial part of stalk presented two preferential directions of orientation, one parallel and other perpendicular to the axis of plant growth. This feature may be associated with maturation phase of sugarcane which appears incomplete, since the middle and top part of the stalk showed only one preferred direction, indicating that the contribution of the layer S1 is prominent, and the S2 layer is not deposited. Another indication of incomplete maturation process may be associated with porosity of parenchyma and vascular bundles, which have the top of the cane more porous that indicates an incomplete lignification process. The results showed that the pretreatment can be considered the most important treatment which affects this variable, since promotes an increase of up to 54% in porosity, differently of alkaline delignification process which no presented significant changes in the porosity of the cells.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:57:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6815.pdf: 3994382 bytes, checksum: 2a2e4e4a401cef8480b7d85ce94ee511 (MD5) Previous issue date: 2015-03-06 / For biofuels production, the recovery of lignocellulosic feedstock is seen as a promising alternative, both from environmental and economic point of views. Among the lignocellulosic biomasses most important in Brazil, sugarcane straw plays a prominent position regarding the production of second generation ethanol (E2G), due to its great availability in the field. One of the main challenges involving the production of second generation ethanol is to obtain high conversion rates of polysaccharides into fermentable sugars, in the hydrolysis step. A solid knowledge is an important pre-requisite to optimize the conversion of lignocellulosic biomass into ethanol. In this context, the aim of this work is to study the kinetics of the enzymatic hydrolysis of cellulose from hydrothermally pretreated sugarcane straw (HPS) (195oC, 10 min e 200 rpm) and hydrothermally pretreated followed by alkaline pretreatment (NaOH 4% w/v, 30 min, 121oC). The influence of process variables as stirring speed, pH, temperature and, concentration of substrate and enzyme was evaluated. Experiments using HPS were carried out in Erlenmeyers (50oC, pH 5, 5 FPU.gcellulose -1 e 10% solids m/v) with shaking from 0 to 300 rpm. Then, the influences of pH and temperature were analyzed. Initially, the pH was ranged from 3 to 7 and afterwards, the temperature was varied from 40 to 60oC. After determining and setting the ideal conditions of agitation, pH and temperature, it was studied the effect of substrate and enzyme concentration for both pretreated and delignified biomass. In order to verify the effect of substrate concentration, solid load was varied in a range of 2.5 to 10.0% (w/v), in initial velocity and long term assays. Enzyme concentration (Cellic®CTec2 Novozymes S/A) was varied from 275 to 5,000 FPU.Lsolution -1 (5 to 80 FPU.gcellulose -1), with solid load settled at 10% (w/v). Finally, it was possible to fit Michaelis-Menten (MM), modified MM, with and without competitive inhibition by glucose, and Chrastil model. For HPS, modified MM model with inhibition (suitable for heterogeneous system, with high resistance to diffusion) was fitted. For alkaline delignified HPS pseudo-homogeneous and modified MM models were fitted. The Chrastil model was also used to fit long term assays for both pretreated biomass. The fitted models were able to identifying key features of the hydrolysis process, and, therefore, useful within the perspective of engineering bioreactors. / O aproveitamento de resíduos lignocelulósicos é visto como uma alternativa promissora, tanto do ponto de vista ambiental quanto econômico, para produção de biocombustíveis. Dentre as biomassas lignocelulósicas de maior importância no território nacional, a palha de cana-de-açúcar ocupa posição de destaque no que se refere à produção de etanol de segunda geração (E2G) por apresentar grande disponibilidade no campo. Um dos principais desafios que envolvem a produção de E2G é obter altas conversões de polissacarídeos em açúcares fermentescíveis, durante a etapa de hidrólise enzimática, de maneira que otimizar esta etapa requer um bom conhecimento da cinética de reação. Neste contexto, este trabalho teve por objetivo realizar o estudo cinético da etapa de hidrólise enzimática da fração celulósica da palha de cana-de-açúcar, pré-tratada hidrotermicamente (PTH) (195oC, 10 min e 200 rpm) e pré-tratada hidrotermicamente, seguida de prétratamento alcalino (PA) (NaOH 4% m/v, 30 min, 121oC). Neste estudo, foi analisada a influência das seguintes variáveis de processo: velocidade de agitação, pH, temperatura e concentrações de enzima e substrato. Experimentos empregando palha PTH foram realizados em Erlenmeyers (50oC, pH 5, 5 FPU.gcelulose -1 e 10% sólidos m/v) com agitações de 0 a 300 rpm. Em seguida, foram analisadas as influências do pH e da temperatura. Inicialmente, o pH foi variado de 3 a 7 e, posteriormente, a temperatura foi variada de 40 a 60oC. Após determinadas e fixadas as condições ótimas de agitação, pH e temperatura, estudaram-se os efeitos da concentração de substrato e enzima para ambas as biomassas (PTH e PTH com PTA). Para verificar o efeito da concentração de substrato, a carga de sólidos variou de 2,5 a 10% (m/v), em ensaios de velocidade inicial e de longa duração. A concentração de enzima (Cellic®CTec2 Novozymes S/A) variou de 275 a 5000 FPU.Lsolução -1 (5 a 80 FPU.gcelulose -1), com carga de sólidos fixada em 10% (m/v). Finalmente, foi possível ajustar os modelos de Michaelis-Menten (MM) pseudohomogêneo e MM modificado, com e sem inibição competitiva por glicose, e o modelo de Chrastil. Para a palha PTH um modelo de MM modificado com inibição (adequado para sistemas heterogêneos, com alta resistência à difusão) mostrou-se mais apropriado do que o MM pseudo-homogêneo. Para a palha PTH seguida de PTA, o modelo de MM modificado com inibição também foi mais adequado do que o MM pseudo-homogêneo. O modelo de Chrastil também foi aplicável na modelagem de ambas as biomassas pré-tratadas. Os modelos foram capazes de identificar características essenciais do processo de hidrólise, sendo, úteis dentro da perspectiva da engenharia de biorreatores.