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Orientadores: Aline Carvalho da Costa, Sarita Cândida Rabelo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Líquidos iônicos (LIs) podem ser utilizados no pré-tratamento de bagaço de cana-de-açúcar e têm possibilitado rendimentos de hidrólise enzimática acima de 60%. Além disso, a valorização da lignina obtida nesses processos tem atraído interesse crescente devido ao valor agregado do produto. Neste trabalho, o bagaço de cana-de-açúcar, biomassa lignocelulósica altamente disponível no cenário industrial brasileiro, foi avaliado para uso em biorrefinarias de produção de etanol de segunda geração (E2G), sendo a lignina obtida como produto de valor agregado. A biomassa foi submetida ao pré-tratamentos com 20 solventes sintetizados a partir da combinação de cinco bases aminas - etilamina, etanolamina etilenodiamina, butilamina, hexilamina - com quatro ácidos - acético, fórmico, láctico e malônico. Os LIs resultantes são próticos, sendo considerados de baixo custo quando comparados aos LIs apróticos. As ligninas obtidas nesta fase de screening foram caracterizadas por 2D HSQC NMR, 31P NMR, GPC, FTIR, TGA e análise elementar para estudo e avaliação da sua estrutura quando diferentes solventes são empregados no processo de extração. As análises tiveram como objetivo avaliar fatores como inserções de nitrogênio na estrutura macromolecular, efeito do aumento da cadeia dos cátions na despolimerização da estrutura lignocelulósica e preservação das ligações ?-O-4 da lignina. Estas características podem determinar a sua valorização em diferentes aplicações industriais. Analisando a eficiência das etapas de pré-tratamento e hidrólise, os líquidos iônicos próticos (LIPs) [2He][Lac] (Lactato de etanolamina), [Etid][Ac] (acetato de etilenodiamina) e [Etid][Lac] (Lactato de etilenodiamina) apresentaram maior potencial para conversão de celulose e hemiceluloses na hidrólise e solubilização de lignina no pré-tratamento. Os pré-tratamento com os três LIPs foram otimizados considerando tempo e temperatura como fatores do planejamento experimental. Foi observado que o [Etid][Ac] levou a uma remoção de lignina de 82,7%, a 140°C e 3 h, e conversões de celulose/hemiceluloses de 84,4 e 62,9%, respectivamente, após 48 h de hidrólise enzimática, destacando-se como um dos melhores LIPs. Já as ligninas obtidas dos LIPs não apresentaram diferenças em sua estrtutura nas condições de tempo e temperatura utilizadas na otimização do pré-tratamento. Ao final dos planejamentos experimentais, as condições mais severas de pré-tratamento – 3 h e 140°C ([Etid][Ac]), 3h e 130°C ([Etid][Lac]) e 3h e 160°C ([2He][Lac]) - levaram ao melhor desempenho de conversão na hidrólise e solubilização de lignina. Assim, os hidrolisados enzimáticos obtidos foram submetidos a fermentação com a levedura Spathaspora passalidarum, considerada uma cepa robusta, capaz de consumir glicose e xilose. Todas as fermentações apresentaram alto rendimento de etanol, variando entre 82,9 e 85,3%, e produtividade entre 1,2 a 1,3 g/L.h para concentrações iniciais de levedura entre 4 e 5g/L. O LIP [Etid][Ac] foi o mais eficiente no processamento do bagaço de cana quando se analisou o processo produtivo do E2G, chegando a uma produção de 248,5 L de etanol/ton de bagaço in natura (base seca). Este LIP também foi considerado o melhor solvente para solubilização de lignina. Este trabalho contribuiu para novos avanços na elucidação da estrutura química da lignina e abre um novo caminho para a sua valorização dentro do conceito de biorrefinaria usando LIPs Abstract: Ionic liquids (ILs) may be used in the sugarcane bagasse pretreatment and have enabled enzymatic hydrolysis yields above 60%. Furthermore, the lignin valorization obtained in these processes has attracted growing interest due to the value-added product. In this work, sugarcane bagasse, lignocellulosic biomass highly available in the Brazilian industrial scenario was evaluated for use in second-generation ethanol (2GE) biorefineries, with lignin being obtained as a value-added product. The biomass was subjected to pretreatment with 20 solvents synthesized from the combination of five amine bases - ethylamine, ethanolamine, ethylenediamine, butylamine, hexylamine - with four acids - acetic, formic, lactic and malonic. The ILs obtained are protic and are considered to be of low cost compared to aprotic ILs. The lignins obtained in this screening step were characterized by 2D HSQC NMR, 31P NMR, GPC, FTIR, TGA and elemental analysis to study and evaluate their structure when different solvents are used in the extraction process. The analysis aimed to evaluate factors such as nitrogen insertions in the macromolecular structure, the effect of increasing the cations chain length on the depolymerization of the lignocellulosic structure and preservation of the ?-O-4 linkages of lignin. These characteristics can determine their value in different industrial applications. Analyzing the efficiency of the pretreatment and hydrolysis steps, the protic ionic liquids (PILs) [2He][Lac] (ethanolamine lactate), [Etid][Ac] (ethylenediamine acetate) and [Etid][Lac] (ethylenediamine lactate) showed greater potential for converting cellulose and hemicelluloses in hydrolysis and lignin solubilization in the pretreatment. Pretreatment of the three LIPs was optimized considering time and temperature as experimental planning factors. It was observed that [Etid][Ac] led to a lignin removal of 82.7%, at 140°C and 3 h, and cellulose/hemicellulose conversions of 84.4 and 62.9%, respectively, after 48 h of enzymatic hydrolysis, highlighting as one of the best LIPs. The lignins obtained from the LIPs did not show differences in their structure under the conditions of time and temperature used in the pretreatment optimization. Lastly, experimental planning, the most severe pretreatment conditions – 3 h and 140°C ([Etid][Ac]), 3h and 130°C ([Etid][Lac]) and 3h and 160°C ([2He][Lac]) - led to the best conversion performance in the hydrolysis and solubilization of lignin. Thus, the enzymatic hydrolysates obtained were submitted to fermentation with the yeast Spathaspora passalidarum, considered a robust strain, capable of consuming glucose and xylose. All fermentations showed high ethanol yield, ranging between 82.9 and 85.3%, and productivity between 1.2 to 1.3 g/L.h for initial yeast concentrations between 4 and 5g/L. The LIP [Etid][Ac] was the most efficient in the processing of sugarcane bagasse when the 2GE production process was analyzed, reaching a production of 248.5 L of ethanol/ton of in natura bagasse (dry). This PIL was also considered the best solvent for lignin solubilization. This work contributed to new advances in the elucidation of the chemical structure of lignin and opens a new way for its valorization within the concept of biorefinery using LIPs Doutorado Engenharia Química Doutora em Engenharia Química CNPQ 001

Improved cost-effective bioethanol production using inexpensive enzymes preparation was investigated. Three types of waste lignocellulosic materials were converted&mdash, for the production of enzyme preparation, a mixture of sugar beet pulp and wheat bran, while the source of sugars in hydrolysates was sweet sorghum biomass. A novel enzyme cocktail of Trichoderma citrinoviride C1 is presented. The one-step ultrafiltration process of crude enzyme extract resulted in a threefold increase of cellulolytic and xylanolytic activities. The effectiveness of enzyme preparation, compared to Cellic&reg, CTec2, was tested in an optimized enzymatic hydrolysis process. Depending on the test conditions, hydrolysates with different glucose concentrations were obtained&mdash, from 6.3 g L&minus, 1 to 14.6 g L&minus, 1 (representing from 90% to 79% of the CTec2 enzyme yield, respectively). Furthermore, ethanol production by Saccharomyces cerevisiae SIHA Active Yeast 6 strain DF 639 in optimal conditions reached about 120 mL kg d.m.&minus, 1 (75% compared with the CTec2 process). The achieved yields suggested that the produced enzyme cocktail C1 could be potentially used to reduce the cost of bioethanol production from sweet sorghum biomass.

Made available in DSpace on 2020-12-12T01:22:53Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2019-11-02 Brazil is the largest world producer and consumer of coconut water with approximately two billion fruits, where 70% is for water production. Therefore, a large amount of waste is generated: the coir husk, which represents approximately 1.75 kg per fruit unit. This biomass presents 35% cellulose in its composition, which makes the coir husk a good option for the raw material for second-generation (2 G) ethanol production. In this study, the coir husk was chemically pretreated using four different treatments. The 2 G ethanol production was studied considering two different processes, using separated hydrolysis and fermentation (SHF) or simultaneous saccharification and fermentation (SSF). The pretreatment used a solution containing sodium chlorite at 10% of the acetic acid and the SSF process was the better method for 2 G ethanol production from coir husk, yielding 52.7 L ethanol/ton of biomass. Thus, the coir husk can be considered an alternative for the production of 2 G ethanol, with all the environmental and social advantages of such an approach, such as occupying precious space in the landfills and taking 12 years to decompose. School of Agriculture São Paulo State University (UNESP) School of Agriculture São Paulo State University (UNESP)

Orientador: Camila Alves de Rezende Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química Resumo: O cenário ideal para viabilizar a utilização da biomassa como fonte para combustíveis, materiais e outros insumos químicos é o de uma biorrefinaria. Nele, o máximo dos seus componentes é aproveitado, de modo integrado e com o menor gasto possível de insumos e energia. Neste trabalho, o capim elefante foi utilizado como substrato para uma biorrefinaria, visando à produção de etanol celulósico como produto principal e acoplando a esse processo a recuperação de extrativos, hemicelulose e lignina. A maior recuperação de extrativos foi obtida na extração com líquidos pressurizados (cerca de 7% da biomassa in natura), levando a obtenção de extratos ricos em fenólicos e esteroides, principalmente. A utilização de tratamentos com ácidos diluídos levou a extração de cerca de 70% da hemicelulose do substrato e possibilitou a recuperação de cerca de 190 kg de xilose/ton de biomassa a partir do licor ácido. Para a lignina, pode-se recuperar 138 kg/ton de folhas e 85 kg/ton de colmos quando se aplica um tratamento com base diluída sequencialmente. No entanto, maiores quantidades de etanol foram obtidas quando o tratamento alcalino foi aplicado diretamente à biomassa in natura (70 e 78 kg/ton de folhas e colmos, respectivamente) quando comparados aos tratamentos sequenciais ácido-base (62 e 60 kg/ton. para folhas e colmos, respectivamente). A moagem em moinho de bolas aplicada à biomassa também levou ao aumento da taxa de conversão de celulose até aproximadamente 100%. A caracterização química e morfológica dos substratos pré-tratados foi utilizada para explicar os resultados de hidrólise enzimática obtidos, que possuem forte relação com a remoção dos componentes, como hemicelulose e lignina, no processo de exposição das fibras de celulose, aumento da área superficial e porosidade. A partir das discussões, três diferentes cenários foram propostos visando à obtenção integrada de etanol e lignina (Cenário 1), etanol, hemicelulose e lignina (Cenário 2) e etanol, extrativos e lignina (Cenário 3). Essa abordagem representa uma possibilidade para a viabilização de biorrefinarias para diversificar as fontes de obtenção de produtos tradicionalmente obtidos de fontes não renováveis Abstract: The ideal scenario to enable the production of fuels, materials and other chemicals from ligocellulosic biomass is a biorefinery. In this work, elephant grass was used as raw material in a biorefinery scheme, aiming at the production of cellulosic ethanol mainly, but also at the recovery of extractives, hemicellulose and lignin. Higher extractive recovery was achieved using pressurized liquid extractions (ca. 7% of biomass in natura), leading to extracts rich in phenolics and steroids. Diluted acid treatments extracted ca. 70% of hemicellulose and allowed the recovery of 190 kg of xylose/ton biomass. For lignin, 138 kg/ton of leaves and 85 kg/ton of stems were recovered by a sequential treatment using diluted acid and alkali solutions. However, a higher amount of ethanol was obtained when the alkaline treatment is applied alone and directly on the biomass (70 and 78 kg/ton of leaves and stems, respectively). Under sequential treatments, 62 and 60 kg/ton of leaves and stems were obtained, respectively. The use ball milling as a pretreatment step increased the conversion of cellulose into glucose. Chemical and morphological characterizations of pretreated substrates were used to explain the enzymatic hydrolysis results, which are strongly associated to the removal of hemicellulose and lignin from cellulosic fibers, to substrate exposure and to the increase of surface area and porosity. Finally, three scenarios were proposed, aiming at an integrated production of ethanol and lignin (Scenario 1); ethanol, hemicellulose and lignin (Scenario 2); or ethanol, extractives and lignin (Scenario 3). From these scenarios, elephant grass was used to produce fuels, materials and chemicals traditionally produced from non-renewable sources Mestrado Físico-Química Mestre em Química CNPQ 134500/2017-2 FAPESP FAEPEX CAPES

Made available in DSpace on 2019-10-06T15:20:07Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2018-12-01 One of the major challenges involved in biofuel production from plant biomass is increasing the saccharification efficiency impaired by cell wall recalcitrance. The sugarcane transcription factor ShSHN1 was overexpressed in rice to evaluate its impacts on cell wall composition and potential for the development of refined lignocellulosic feedstocks for biofuel manufacturing. Plant phenotyping included biomass and cell wall component determination. Additionally, gene expression of biosynthetic cell wall polymers and wax/cutin-related genes were evaluated. ShSHN1 ectopic overexpression promoted an increase in biomass (91–340%), pectin (26–209%), cellulose content (10–22%) and saccharification efficiency (5–53%) in rice transgenic plants, as well as a reduction in the lignin content (17–35%) and an altered lignin composition. Such an increase in pectin is a new finding and opens up new research pathways for cell wall manipulation of energy crops. Furthermore, ShSHN1 overexpression led to changes in the expression patterns of all genes analyzed, suggesting a possible relation between ShSHN1 and the regulatory mechanisms involved in secondary plant cell wall formation. Saccharification improvement and biomass increase made the perfect combination for second generation ethanol production. This synergistic gain is discussed based on structural polysaccharides and lignin modification. Phenotypes and gene expression analysis provide insights into possible SHINE mechanisms of action and biological role in cell wall component biosynthesis. These results demonstrate the great potential of ShSHN1 to improve grass feedstocks as a source of energy. Centro de Cana Instituto Agronômico (IAC), Ribeirão Preto Departamento de Genética Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto Instituto de Ciência e Tecnologia Universidade Federal de São Paulo, São José dos Campos Departamento de Biologia Vegetal Instituto de Biologia UNICAMP Departamento de Melhoramento Genético UNESP Departamento de Biologia Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de Ribeirão Preto Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto Departamento de Produção Vegetal Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz Universidade de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia Universidade Federal de São Paulo, Rua Talim, 330 Sala 201, São José dos Campos Departamento de Melhoramento Genético UNESP