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Agradecimentos: This work was supported by Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo-FAPESP (grant numbers 17/14056-9 and 15/20630-4). Authors are also thankful for the Ministry of Education, Science and Technological Development of the Republic of Serbia (Project III 45001); Prof. Dr. Telma Teixeira Franco (LEBBPOR, FEQ, UNICAMP, São Paulo, Brazil), who permitted the use of TOC-VCSN Analyzer (Shimadzu, Kyoto, Japan); Prof. Dr. Ljubica Tasic and Dr. Danijela Stanisic (Institute of Chemistry, UNICAMP, São Paulo, Brazil), who kindly provided rotary shaker. Special acknowledgments belong to the following individuals from LOPCA (FEQ, UNICAMP, São Paulo, Brazil), who provided the technical and logistics support during the research: Luisa Fernanda Rios Pinto, Gabriela Filipini Ferreira, Jean Felipe Leal Silva and Renato Sano Coelho Abstract: This study describes a new algal biofuel process that integrates sugarcane biorefinery wastewater treatment by nutrient removal with algae into bioethanol. The process is free of common industrial problems, including algal contamination, nutrients and fresh water usage, carbohydrate extraction, liquefaction, and saccharification. Cultivation and fermentation were conducted in one step by turning the light-air on and off, respectively. Three series of experiments with Chlamydomonas reinhardtii CC-1093 cultivation and fermentation were performed in anaerobically digested vinasse. Control experiments were a reference to compare the influence of chloride and ammonium-sulfate stress conditions on ethanol yield. Experimental results showed: (1) algal biomass can be successfully cultured within biorefinery wastewater (1129 mg·L-1·day-1); (2) relatively high bioremediation was achieved (26.1%-83.5%); (3) obtained ethanol yield was (maximum 68.3% of the theoretical yield) in one process step; and (4) the chloride stress condition influences on algae to synthesize extracellular polysaccharides as add-in product (120 mg/L) FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Aberto

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Maciel, Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O desenvolvimento de processos biotecnológicos industriais que utilizem recursos naturais renováveis é uma necessidade que se faz presente nos dias atuais, dada a preocupação com o abastecimento de petróleo e o desenvolvimento sustentável. Um grande interesse pelos processos fermentativos para produção de ácidos carboxílicos a partir de recursos renováveis tem sido despertado, sendo a produção de ácido láctico uma das mais importantes entre os ácidos orgânicos. A grande variedade de aplicações e o desenvolvimento de novos usos e produtos, como na produção de polímeros biodegradáveis (poli- ácido láctico), solventes verdes e químicos oxigenados, fizeram com que a produção de ácido láctico crescesse consideravelmente nas últimas décadas e estimulasse a pesquisa por tecnologias que tornem o processo mais viável economicamente. No caso do ácido láctico, o desenvolvimento de um método eficaz de separação e purificação do ácido a partir do caldo de cana-de-açúcar fermentado, sem a geração de efluentes, é de suma importância, pois o processo de separação e purificação corresponde a, aproximadamente, 50% do custo de produção. Assim, este trabalho teve como objetivo estudar três estratégias para separação e concentração do ácido láctico produzido por via fermentativa, utilizando, a saber: um sistema híbrido de destilação molecular, um sistema de destilação reativa e acoplando as duas tecnologias sequencialmente. Foram aplicados planejamentos experimentais para a determinação das melhores condições operacionais de cada processo e, por fim, foram definidas as melhores condições e sequências operacionais para a concentração, separação e purificação do ácido láctico. Os resultados mostraram que utilizar tanto o sistema híbrido de destilação molecular quanto o sistema de destilação reativa são efetivos para a separação e concentração do ácido láctico. Após a otimização da etapa de destilação molecular híbrida, foi possível a obtenção de ácido láctico com 89,71% de pureza. Em relação à destilação reativa, foi possível obter 100% de rendimento de lactato de etila na etapa de esterificação e concentrar 2,4 vezes o ácido láctico, com 26,32% de pureza, após a etapa de hidrólise. Utilizando a destilação molecular híbrida e destilação reativa em sequência, obteve-se ácido láctico 4,7 vezes mais concentrado, com 21,97% de pureza. A destilação molecular híbrida apresentou o maior índice de desempenho de purificação, sendo a tecnologia de separação e purificação mais promissora para o ácido láctico. Para finalizar o trabalho, foi desenvolvida a simulação de uma planta virtual para realizar a purificação do ácido láctico proveniente da fermentação utilizando a destilação reativa Abstract: The development of industrial biotechnology processes that use renewable resources is a necessity nowadays due to concerns about oil supply and sustainable development. Fermentation processes for the production of carboxylic acids from renewable resources have drawing a lot of interest, and the production of lactic acid is one of the most important among organic acids. The wide variety of applications and the development of new uses and products, such as the production of biodegradable polymers, green solvents and oxygenated chemicals, have made the production of lactic acid grow considerably in recent decades, stimulating research for technologies that make the process more economically viable. In the case of lactic acid produced from sugarcane molasses, the development of an effective method of separation and purification without wastewater generation is extremely important. The process of separation and purification corresponds to approximately 50% of the production cost. Therefore, this work is devoted to study three strategies of separation to concentrate lactic acid produced from fermentation: hybrid short path evaporation, reactive distillation, and both technologies attached. Experimental factorial designs were applied to determine the best operating conditions. Thus, the best conditions and operational sequences for lactic acid concentration, separation, and purification were defined. The results showed that hybrid short path evaporation and reactive distillation system are effective for the lactic acid separation and concentration. After optimization of the hybrid short path distillation, lactic acid purity around 89,71% was obtained. Regarding reactive distillation, it was possible to obtain 100% ethyl lactate yield in the esterification reaction and concentrate lactic acid by 2,4 times after hydrolysis with lactic acid purity around 26,32%. Using both technologies attached, lactic acid was concentrated by 4,7 times with lactic acid purity around 21,97%. Hybrid short path distillation showed high purification performance index, so it is the separation and purification technology most promising for lactic acid. Finally, a virtual plant for lactic acid purification from fermentation broth was developed using reactive distillation Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutora em Engenharia Química FAPESP

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O uso de substratos alternativos em fermentações biotecnológicas é uma alternativa viável em substituição àqueles provenientes de fontes não-renováveis. O melaço é um exemplo e pode ser usado para produzir L-ácido láctico o qual tem se mostrado promissor na síntese de poli-L-ácido láctico (PLLA) para aplicação na área médica. Para este trabalho, três bactérias produtoras de L-ácido láctico e consumidoras de melaço foram selecionadas na literatura para ensaios em shaker: Lactobacillus (L.) rhamnosus ATCC 7469, L. rhamnosus ATCC 10863 e L. delbrueckii ATCC 9649. Por meio de um planejamento fatorial 23 do tipo estrela, foi selecionada a bactéria que mais produziu L-ácido láctico, a L. rhamnosus ATCC 10863 com produção de 16,5 g/L. As condições de operação foram temperatura de 43? C e concentração de sacarose (açúcar com maior porcentagem no melaço) e de extrato de levedura de 27,6 g/L e 3,0 g/L, respectivamente. O comportamento dos açúcares mostrou que a glicose e frutose foram praticamente totalmente consumidos, enquanto a sacarose foi pouco consumida. Em biorreator, aquela mesma cepa com as condições de operação mencionadas, além de pH 5,0, foi usada em dois processos fermentativos de batelada alimentada (processos 1 e 2) e dois de batelada (processos 3 e 4) com o melaço sem pré-tratamento (virgem). Dentre estes processos, a sacarose ainda foi pouco convertida, atingindo no máximo 22,5 % no processo de batelada alimentada 1. Neste mesmo processo, o máximo de frutose foi convertido, 98,4%, e o máximo de conversão da glicose foi no processo de batelada 4, 91,7 %. O pico máximo de L-ácido láctico produzido foi no processo de batelada alimentada 2, 22,0 g/L. Logo, posteriormente, foi realizado outro processo fermentativo de batelada (processo 5) com pré-tratamento do melaço, a hidrólise da sacarose em glicose e frutose utilizando a enzima invertase, resultando em praticamente 100 %. No processo fermentativo 5, a glicose foi convertida em 98,2 % e a frutose em 99,3 % e foram gerados 35,5 g/L de ácido láctico (pico máximo). A produtividade máxima foi de 2,0 g/Lh, o crescimento da biomassa foi de 5,0 g/L, o rendimento foi de 97,5 % e foram detectados 98,5 % do isômero L(+) do ácido láctico no caldo da fermentação ao final do processo. Portanto, este processo foi identificado como o "ótimo" deste trabalho. Em seguida, o processo de separação do L-ácido láctico foi feito no equipamento de cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) com coletor de frações. Foi usada a coluna semi-preparativa ZORBAX Eclipse XDB-C18 para separar o L-ácido láctico de todos os outros componentes restantes no caldo da fermentação, porém o ácido acético presente na solução enzimática anteriormente usada foi também coletado no mesmo tempo. Após, foi usada a coluna analítica Aminex HPX-87H que isolou e coletou o L-ácido láctico, obtendo 11 ml de solução de fase móvel e ácido diluído, com taxa de recuperação de 53,0 %. A título de demonstração de viabilidade de uso desta técnica para separar o L-ácido láctico proveniente de fermentação, esta metodologia foi válida Abstract: The use of alternative substrates in biotechnological fermentations is a viable alternative to substitute those derived from non-renewable sources. The molasses is an example and can be used to produce L-lactic acid that has shown to be promising to produce poly-L-lactic acid (PLLA) for application in medical field. For this work, three L-lactic acid producing bacteria and also molasses consumers were selected from literature for shaker trials: Lactobacillus (L.) rhamnosus ATCC 7469, L. rhamnosus ATCC 10863 and L. delbrueckii ATCC 9649. Through a star configuration 23 experimental planning, the bacterium that produced more L-lactic acid was selected, which was the L. rhamnosus ATCC 10863, producing 16.5 g/L. The operation conditions were 43? C as temperature and concentrations of 27.6 g/L of sucrose (sugar with higher percentage at molasses) and 3.0 g/L of yeast extract, respectively. The sugars behavior showed that glucose and fructose were basically completely consumed while sucrose was barely consumed. At bioreactor, that bacterium with the operation conditions just mentioned, besides the pH 5.0, was used at two fed batch fermentation processes (processes 1 and 2) and two batch fermentation processes (processes 3 and 4) with the molasses without pre-treatment (virgin). Among these processes, the sucrose was still scarcely consumed, reaching the maximum of 22.5 % at fed batch process 1. At this same process, the maximum of fructose was converted, 98.4 %, and the maximum of glucose converted was at batch process 4, 91.7 %, The maximum peak of L-lactic acid produced was at fed batch process 2, 22.0 g/L. Thus, after, it was performed another batch fermentation process (process 5) with molasses pre-treatment, the sucrose hydrolysis into glucose and fructose using the enzyme invertase, resulting in 100 %. At fermentative process 5, the glucose was converted in 98.2 % and fructose in 99.3 %, generating 35.5 g/L of L-lactic acid (maximum peak). The maximum productivity was 2.0 g/Lh, the biomass growth was 5.0 g/L, the yield was 97.5 % and it was detected 98.5 % of the isomer L(+) of lactic acid at fermentation broth at the end of process. Therefore, this process was identified as the "optimum" of this work. Afterwards, the L-lactic acid separation process was done at the high performance liquid chromatography (HPLC) equipment with fraction collector. It was used the semi-preparative column ZORBAX Eclipse XDB-C18 to separate the L-lactic acid from all components remained at fermentation broth, but the acetic acid at the enzymatic solution previously used was collected at the same time. Subsequently, it was used the analytical column Aminex HPX-87H that isolated and collected the L-lactic acid, obtaining 11 mL of solution of mobile phase and diluted acid, with recovery rate of 53.0 %. Intending to demonstrate the viability of use of this technique to separate L-lactic acid from fermentation, this methodology was valid Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutora em Engenharia Química FAPESP 2011/11742-2 CNPQ

Orientadores: Adriano Pinto Mariano, Jean-Christophe Stefen Gilles Bonhivers Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Bactérias do gênero Clostridia responsáveis pela fermentação ABE (Acetona-Butanol-Etanol) sofrem forte inibição pelo butanol, resultando em processos diluídos com baixa eficiência energética e volume excessivo de vinhaça. Uma forma de resolver esse problema é com o uso de tecnologias de fermentação com recuperação integrada de produtos. Entre estas, destaca-se a fermentação a vácuo devido à sua simplicidade. Contudo, estudos anteriores demonstram que a etapa de condensação dos vapores gerados durante a ebulição do caldo fermentativo consome muita energia elétrica, o que encarece muito o processo. Para tentar resolver esse problema da fermentação a vácuo, desenvolvemos um sistema de condensação que se baseia em ejetores operados com solvente orgânico para a geração do vácuo. O solvente orgânico é o etileno glicol que pode ser reaproveitado na etapa de purificação dos produtos pela destilação extrativa. Foram propostas diferentes configurações para o processo com ejetores a vapor de etileno glicol. Ainda, desenvolvemos outros cenários utilizando ejetores a vapor de água e compressores. Os estudos foram realizados via simulação computacional (Aspen Plus®) e a eficiência de cada processo proposto (fermentação a vácuo/condensação/destilação) foi avaliada mediante análises energética (análise pinch) e econômica. A substituição de compressores por ejetores reduz muito o consumo de eletricidade, porém aumenta a demanda de outras utilidades. De todos os processos desenvolvidos, a planta com apenas compressores apresentou o menor custo total (209.8 US$/ton butanol) seguida da planta com ejetores a vapor de etileno glicol (233.7 US$/ton butanol). Ambos os casos foram mais econômicos que o processo convencional sem vácuo (235.3 US$/ton butanol). A vantagem dos novos processos é ainda maior para custos menores de eletricidade e custos altos de investimento. Concluímos que a fermentação ABE a vácuo do tipo flash com compressor e/ou ejetor a vapor de etileno glicol tem potencial de apresentar um custo total inferior ao processo convencional sem vácuo, desde que haja integrações energéticas. Além dos benefícios econômicos, as plantas desenvolvidas são mais compactas e causam um menor impacto ambiental com a fertirrigação excessiva de vinhaça Abstract: Solventogenic Clostridium species responsible for the ABE fermentation (Acetone-Butanol-Ethanol) are strongly inhibited by butanol, resulting in dilute processes with low energy efficiency and large stillage production. Possible solutions include fermentation technologies with integrated product recovery. Among these technologies, vacuum fermentation attracts attention due to its simplicity. However, previous studies have demonstrated that the energy cost to condensate the vapors generated during the boiling of the fermentation broth is prohibitive. To try to solve this problem of vacuum fermentation, we developed a condensation system based on ejectors operated with an organic solvent to generate the vacuum. The organic solvent is ethylene glycol, which is reused in the product purification step by distillation. Different configurations have been proposed for the process with ethylene glycol ejectors. Moreover, we developed other scenarios using steam ejectors and compressors. Studies were conducted using process simulation in Aspen Plus®, and the efficiency of the proposed process (vacuum fermentation/condensation/distillation) was assessed by energy (pinch analysis) and economic analyses. Replacing compressors with ejectors significantly reduces electricity consumption but increases the demand for other utilities. Of all the processes developed, the plant with only compressors had the lowest total cost (209.8 US$/ton butanol) followed by the plant with ethylene glycol steam ejectors (233.7 US$/ton butanol). Both cases were more economical than the conventional process without vacuum (235.3 US$/ton butanol). The advantage of the new processes is even greater for lower electricity costs and high investment costs. We conclude that ABE fermentation in a vacuum flash type with compressor and/or ethylene glycol ejector has the potential to have a total cost lower than the conventional process without vacuum if there are energetic integrations. In addition to the economic benefits, the plants developed were compact and cause less environmental impact with excessive fertigation of the stillage Mestrado Engenharia Química Mestre em Engenharia Química FAPESP 2019/03019-0 CNPQ 132315/2019-0

Orientadores: Aline Carvalho da Costa, Jaciane Lutz Ienczak Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O bagaço de cana-de-açúcar é um subproduto do processo de produção de etanol (1G) e é um substrato lignocelulósico promissor para a produção de bioetanol de segunda geração (2G). Como as hemiceluloses representam cerca de 30 % do peso seco do bagaço, a quantidade de açúcares gerados após a hidrólise deste material representa uma porção substancial para a produção de bioetanol de segunda geração. A hidrólise de hemiceluloses resulta em uma mistura de xilose, glicose e outros monossacarídeos. Sendo assim, a transformação de pentoses em bioetanol torna-se um dos desafios mais importantes a serem resolvidos no âmbito científico e tecnológico, considerando a produção de bioetanol a partir de biomassa lignocelulósica. Nesse contexto, o uso de microrganismos naturalmente capazes de fermentar pentoses se torna interessante, como as leveduras Scheffersomyces stipitis e Spathaspora passalidarum. Considerando o processo de fermentação, a temperatura é um parâmetro operacional que exerce papel fundamental na reação, com influência na produtividade de etanol, no consumo de substratos, no crescimento celular e até na viabilidade dos microrganismos. A estimação de parâmetros dependentes da temperatura é uma das principais estratégias para compreensão cinética e melhoramento de processos. Nesse contexto, foi desenvolvido um modelo matemático não-estruturado para a produção de etanol de segunda geração descrevendo o consumo de xilose e glicose, o crescimento celular e a produção de etanol em função da temperatura, a partir de fermentações em batelada realizadas sob alta densidade celular. Para a levedura S. passalidarum, o modelo proposto descreveu satisfatoriamente o sistema de fermentação investigado na faixa de 26 a 32 ºC, com um coeficiente de correlação superior a 0,95 na condição de validação do modelo. Através da simulação do modelo, foi possível concluir que as maiores produtividades de etanol podem ser alcançadas em temperaturas entre 30 e 32 ºC. Além disso, foi realizada a modelagem de diferentes estratégias para aumentar o desempenho fermentativo das leveduras não convencionais utilizadas neste estudo, com o objetivo de confirmar o potencial para serem utilizadas em escala industrial. Após ser submetida a cinco fermentações sequenciais em batelada alimentada com reciclo de células a 30 ºC utilizando substrato sintético, a levedura S. passalidarum apresentou melhorias significativas em seus parâmetros de fermentação, atingindo um rendimento em etanol de 91 % no último ciclo de fermentação, com uma produtividade de 1,79 g/L.h. Através do desenvolvimento de um modelo matemático para representar as fermentações realizadas, foi possível compreender o efeito dos reciclos celulares na evolução dos parâmetros cinéticos. Finalmente, foi proposta uma estratégia de adaptação através de fermentações sequenciais com concentrações crescentes de hidrolisado hemicelulósico utilizando a levedura S. stipitis. Modelos matemáticos foram aplicados para compreender a influência da estratégia empregada nos parâmetros cinéticos, concluindo-se que o maior impacto se deu nos parâmetros relacionados à inibição por ácido acético. Ao comparar a linhagem adaptada com a não-adaptada, a estratégia de adaptação proposta foi validada, considerando o melhor desempenho da levedura adaptada em concentrações crescentes de ácido acético. Abstract: Sugarcane bagasse is a byproduct obtained from ethanol production process (1G) and it is a promising lignocellulosic substrate for second-generation bioethanol (2G). As hemicelluloses represent about 30 % of bagasse dry weight, the amount of sugars generated after hydrolysis of this material represents a substantial portion for the second-generation bioethanol production. The hydrolysis of hemicelluloses results in a mixture of xylose, glucose and other monosaccharides. Thus, the transformation of pentoses in bioethanol becomes one of the most important challenges to be solved on scientific and technologic scope considering the production of bioethanol from lignocellulosic biomasses. In this context, yeasts that are naturally capable of fermenting pentoses are desired, like Scheffersomyces stipitis and Spathaspora passalidarum. Considering the fermentation process, temperature is an operational variable that plays a key role on the reaction, with influence on ethanol productivity, substrate consumption, cell growth and even on microorganism viability. Estimation of temperature-dependent parameters is one of the key strategies for kinetic comprehension and process improvement. In this context, an unstructured mathematic model for second-generation ethanol production was developed to describe xylose and glucose consumption, cell growth and ethanol production for both yeasts in function of temperature, when batch fermentations were performed under high cell density strategy. For the yeast S. passalidarum, the proposed model satisfactorily described the fermentation system investigated in the range between 26 and 32 ºC, with a correlation coefficient higher than 0.95 for the model validation. Through model simulation, it was possible to conclude that the highest ethanol productivities can be achieved at temperatures from 30 to 32 ºC. In addition, different strategies were evaluated to increase the fermentative performance of the non-conventional yeasts used in this study, with the aim to confirm their potential to be used in industrial-scale processes. After being submitted to five sequential fed-batch fermentations with cell recycle at 30 ºC using a synthetic medium, the yeast S. passalidarum had significant improvements on its fermentation parameters, reaching an ethanol yield of 91 % at the last fermentation cycle, with a productivity of 1.79 g/L.h, besides increases on specific rates of sugar consumption and ethanol production. Through the application of a mathematical model describing the fed-batch fermentations performed, it was possible to comprehend the effect of the cell recycles on the evolution of the kinetic parameters. Finally, a strategy of adaptation was proposed through successive fermentations with increasing concentrations of a hemicellulosic hydrolysate for the yeast S. stipitis, with the aim to increase the tolerance of the microorganism to the inhibitory compounds present on the hydrolysates. Mathematical models were applied to elucidate the influence of the employed strategy on kinetic parameters, concluding that the greater impact was on parameters related to inhibition by acetic acid. By comparing the adapted and the non-adapted strains, the adaptation strategy was validated, considering the better performance of the adapted strain in increasing concentrations of acetic acid. Doutorado Engenharia Química Doutor em Engenharia Química FAPESP 2016/14567-0

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Carlos Eduardo Vaz Rossell Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos Resumo: O ácido láctico é um ácido orgânico que possui uma ampla gama de aplicações industriais bem estabelecidas, como nas indústrias de alimentos, farmacêutica e cosmética. Novas aplicações são frequentemente descobertas e lançadas no mercado. Atualmente, suas aplicações com maior destaque estão relacionadas à indústria médica, produção de polímeros - biodegradáveis ou não - e seu uso como molécula precursora para a produção de outras moléculas na indústria química. Este trabalho apresenta os principais aspectos relacionados à cadeia de produção de ácido láctico de primeira e segunda-geração produzidos a partir de cana-de-açúcar, considerando as tendências de mercado, perspectivas e desafios. Inicialmente, foi realizado uma triagem de microrganismos que resultou na seleção de uma cepa de Lactobacillus plantarum para ser utilizada na produção de ácido lático de primeira e segunda-geração. O melaço de cana-de-açúcar é uma rica fonte nutricional para a produção ácido láctico de primeira-geração. Para países onde a cana é uma cultura importante, sua utilização pode abrir uma oportunidade para a implementação de uma biorrefinaria que produza açúcar, etanol, leveduras, eletricidade e ácido lático, como tem sido feito nos setores de açúcar e álcool. Utilizando o melaço como substrato, foram produzidos 157,9 g/L de ácido lático, com produtividade de 5,4 g L-1 h-1 e rendimento de 95 %. O ácido lático de segunda-geração foi produzido a partir da fração hemicelulósica do bagaço de cana hidrolisado, resultando em 34,5 g/L de ácido lático. Neste estudo detectou-se um fenômeno chamado de bio-detoxificação, no qual o microrganismo não é afetado pelos inibidores remanescentes do pré-tratamento do bagaço, sendo capaz de diminuir as concentrações de furfural e HMF em 98 % e 86 %, respectivamente. Com o intuito de aumentar a produção de ácido lático, uma cepa de Bacillus coagulans foi selecionada para produzir ácido láctico a partir da fração hemicelulósica do bagaço de cana. Este microrganismo produziu 60,0 g/L de ácido lático, com uma produtividade de 1,7 g L-1 h-1 e 87 % de rendimento. Este microrganismo também foi capaz de bio-detoxificar o caldo de fermentação, removendo 100 % do furfural e do HMF presente no hidrolisado. Considerando processos alternativos de separação e purificação do ácido láctico, ainda existem vários desafios a serem superados. Hybrid short path evaporation (HSPE) pode ser um método alternativo para a recuperação e purificação de ácido láctico, reduzindo o risco de decomposição térmica das moléculas e evitando o uso de solventes tóxicos. É uma técnica ecologicamente correta e equilibrada, com o escopo e o potencial de aplicação em larga escala. Por estas razões, HSPE foi testado como um método alternativo ao processo tradicional de downstream de ácido láctico. Usando um caldo de fermentação produzido a partir do melaço, foi possível atingir uma concentração de ácido láctico de 247,7 g/L, equivalente a 2,5 vezes mais do que a concentração de ácido lático na corrente de alimentação (100,1 g/L). Para o ácido láctico de segunda-geração produzido a partir do hidrolisado hemicelulósico, alcançou-se uma concentração máxima de ácido láctico de 86,7 g/L, o que equivale a 3,1 vezes a concentração de ácido láctico na corrente de alimentação (27,9 g/L). Em ambos os casos, os resultados mostraram que todas as variáveis estudadas influenciaram o processo: temperatura do evaporador, temperatura do condensador interno e vazão de alimentação. Estes estudos possibilitaram a identificação de diferentes desafios na separação de ácido lático de primeira e segunda-geração. Por fim, recomenda-se que pesquisas futuras se concentrem no estudo de técnicas mais eficientes e sustentáveis de downstream, tanto para o ácido láctico de primeira quanto o de segunda-geração. Também é necessário avaliar as implicações econômicas para as indústrias de açúcar e etanol a respeito da implementação de uma biorrefinaria que também produza ácido láctico a partir da cana-de-açúcar. Isso é fundamental para a implementação da produção de ácido lático de primeira e segunda-geração no mercado brasileiro Abstract: Lactic acid is an organic acid that has a wide range of well-established industrial applications, such as in the food, pharmaceutical, and cosmetic industries. New applications are frequently discovered and released in the market. Currently, its most highlighted applications are related to the medical industry, production of polymers - biodegradable or not - and its use as a building-block molecule for the production of other molecules in the chemical industry. This work presents the main aspects related to the production and separation/purification of first and second-generation lactic acid produced from sugarcane, considering upstream, downstream, market trends, perspectives, and challenges. Initially, it was performed a screening of microorganisms that resulted in the selection of a Lactobacillus plantarum strain to be used for the production of first and second-generation lactic acid. Sugarcane molasses is a rich nutritional source for the production of first-generation lactic acid. For countries where sugar cane is an important crop, its use may open up an opportunity for the implementation of a biorefinery that produces sugar, ethanol, yeast, electricity and lactic acid, as it has been done in the sugar and alcohol sectors. Using molasses as a substrate, it was produced 157.9 g/L of lactic acid, with a productivity of 5.4 g L-1 h-1 and a 95 % yield. Second-generation lactic acid was produced from the hemicellulosic fraction of hydrolyzed sugarcane bagasse. Using L. plantarum, it was obtained 34.5 g/L of lactic acid. This study also detected a phenomenon called bio-detoxification, in which the microorganism is not affected by the remaining inhibitors from the bagasse pretreatment, and it was able to decrease the concentrations of furfural and HMF by 98 % and 86 %, respectively. In order to increase the production of lactic acid, a strain of Bacillus coagulans was selected to produce lactic acid from the hemicellulosic fraction of the sugarcane bagasse. It produced 60.0 g/L of lactic acid, with a productivity of 1.7 g L 1 h-1 and 87 % of yield. This microorganism also showed the ability to bio-detoxify the fermentation broth, removing 100 % of the furfural and HMF present in the hydrolysate. Considering alternative processes of separation and purification of lactic acid, there are still several challenges to be overcome. Hybrid short path evaporation (HSPE) may be an alternative method for the recovery and purification of lactic acid, reducing the risk of thermal decomposition of molecules and avoiding the use of toxic solvents. It is an ecologically correct and balanced technique, with the scope and potential of the large-scale application. Front these reasons, HSPE was tested as an alternative method to the traditional process of lactic acid downstream. Using a fermentation broth from molasses, it was possible to reach a lactic acid concentration of 247.7 g/L, equivalent to 2.5 times higher than the initial fermentation broth (100.1 g/L). For second-generation lactic acid produced from hemicellulosic hydrolysate, it was achieved a maximum lactic acid concentration of 86.7 g/L, which is equivalent to 3.1 times the lactic acid concentration in the feed stream (27.9 g/L). In both cases, the results showed that all studied variables influenced the process: evaporator temperature, internal condenser temperature, and feed flow rate. These studies allowed the identification of different challenges in the separation of first and second-generation lactic acid. Finally, future research should focus on the study of more efficient and sustainable downstream techniques, both for first and second-generation lactic acid. It is also necessary assessing the economic implications for the sugar and ethanol industries’ of implementing a biorefinery that would also produce lactic acid from sugarcane. This is fundamental for the implementation of first and second-generation lactic acid production in the Brazilian market Doutorado Bioenergia Doutora em Ciências FAPESP 2013/26290-5 CAPES 001

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Mark van Loosdrecht, Sindelia Freitas Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos e Delft University of Technology Resumo: Atualmente, a indústria da biotecnologia encara o desafio de produzir produtos equivalentes aos derivados do petróleo a partir de recursos renováveis, de maneira sustentável e economicamente viável. Encontrar alternativas mais limpas para substituir combustíveis e produtos químicos de origem fóssil têm sido objeto de pesquisas em todo o mundo, seja por razões econômicas, geopolíticas ou ambientais. Entre essas alternativas, merecem destaque os combustíveis líquidos derivados da conversão de biomassa lignocelulósica, conhecidos como combustíveis de segunda geração ou 2G. No contexto da produção de etanol de segunda geração a partir de matérias-primas lignocelulósicas, o principal açúcar utilizado na fermentação, a glicose, provém da hidrólise da celulose sendo que uma parte significativa de açúcares, nomeadamente pentoses (C5), não são metabolizados pelas cepas selvagens industriais de Saccharomyces cerevisiae, largamente utilizadas nas usinas de etanol. Dentre várias possibilidades de uso do C5 como matéria-prima, a conversão em butanol tem atraído o interesse por suas extensas possibilidades de aplicação como produto químico, intermediário químico e/ou combustível avançado com propriedades físicas próximas à gasolina. O butanol pode ser produzido a partir de derivados de petróleo (processo oxo de propileno) ou a partir de matérias-primas renováveis (processo acetona, butanol e etanol (ABE)). A fermentação ABE é realizada por bactérias solventogênicas do gênero Clostridium spp., capazes de metabolizar açúcares C5 e uma grande variedade de outros substratos. Entretanto, a rota biológica de produção de butanol é desafiadora e sua viabilidade econômica em escala industrial enfrenta obstáculos como: inibição do butanol, baixa eficiência energética do processo, baixo rendimento e baixa produtividade, além do custo relativamente alto do substrato, representando até dois terços dos custos do processo de produção de butanol. Portanto, a recuperação eficiente de butanol do caldo de fermentação diluído (~12 g de butanol/L) determina em grande parte a eficiência do processo de produção. Além disso, em um processo 2G, a fermentação ABE é sensível a compostos inibitórios presentes no hidrolisado hemicelulósico gerados no pré-tratamento da biomassa. Diante desses desafios e considerando o alto impacto que o uso de matérias-primas lignocelulósicas de baixo custo poderia representar, este trabalho tem como objetivo explorar diferentes estratégias para contribuir com o desenvolvimento de configurações de biorrefinaria com base na cana-de-açúcar focadas na valorização de açúcares C5. Portanto, no Capítulo 2, é descrito um estudo sistemático da fermentação de quatro cepas de Clostridia do tipo selvagem, C. acetobutylicum DSM 6228, C. beijerinckii DSM 6422, C. saccharobutylicum DSM 13864 e C. saccharoperbutylacetonicum DSM 14923, como potenciais candidatos para a biossíntese de ABE usando xilose ou glicose como fonte primária de carbono. Destaca-se a capacidade de C. saccharobutylicum DSM 13864 e C. saccharoperbutilylacetonicum DSM 14923, bem como a notável capacidade dessa última cepa em atingir um título de ABE relativamente alto (>7,0 g/L) do hidrolisado hemicelulósico não detoxificado. Os resultados indicaram o potencial de C. saccharoperbutilacetonicum DSM 14923 como uma plataforma microbiana promissora para a produção de butanol de segunda geração. Por fim, são apresentados novos insights de C. sacharoperbutilacetonicum DSM 14923 sobre seu desempenho fermentativo, efeito sinérgico dos inibidores, robustez e tolerância ao butanol. Posteriormente, o Capítulo 3 aborda um estudo sobre a aplicabilidade de misturas de hidrolisado hemicelulósico (HH) e melaço de cana (SCM) como substratos para a produção de ABE de segunda geração. A co-fermentação desses dois substratos foi avaliada como uma estratégia para diminuir as concentrações dos inibidores presentes na HH, evitando assim os custos das etapas de detoxificação. Os melhores resultados em termos de concentração de ABE (8,22 g/L) e rendimento (0,34 g/g) foram obtidos no meio contendo 75% dos açúcares provenientes de SCM. Quando o HH foi concentrado (de 15 a 52 g/L), tanto o título quanto o rendimento de ABE aumentaram para 9,79 g/L e 0,36 g/g, respectivamente, provavelmente como resultado de um efeito sinérgico positivo entre baixas concentrações de 5-hidroximetilfurfural (HMF) e os compostos dos meios. A preferência de açúcar da cepa nesses meios mistos foi glicose> frutose> sacarose> xilose> arabinose. Os resultados obtidos demonstraram que a adição de SCM em altas proporções promoveu a bioconversão efetiva de hidrolisados C5 concentrados em butanol com altos rendimentos e produtividades. Assim, novos insights foram obtidos sobre a potencialidade da produção de butanol contribuindo para uma biorrefinaria de cana-de-açúcar. Além disso, duas estratégias para aumentar a produtividade de butanol do processo foram abordadas com o objetivo de aliviar a inibição do produto nas células e permitir o processamento de soluções concentradas de açúcar: i) uma tecnologia de fermentação com recuperação integrada do produto por meio de vácuo intermitente (Capítulo 4), e ii) uma pesquisa aprofundada da formação de biofilme por C. sacharoperbutilylacetonicum DSM 14923. Nesta última estratégia, a composição e as propriedades das substâncias poliméricas extracelulares (EPS) presentes no biofilme foram comparadas com as das células planctônicas para obter uma melhor compreensão de como o biofilme pode proteger as células contra ambientes adversos (Capítulo 5). No Capítulo 4, fermentações extrativas por batelada de ABE foram realizadas por C. saccharoperbutilacetonicum DSMZ 14923, nas quais ciclos de vácuo intermitentes foram aplicados para remoção in-situ de butanol (Capítulo 4). Primeiramente, uma solução padrão de ABE a 56 mmHg e 25 mmHg a 30 °C foi usada para caracterizar o processo de recuperação a vácuo. Posteriormente, o menor vácuo absoluto foi escolhido para avaliar o impacto da presença de ácido acético, 5-hidroximetilfurfural (HMF) e furfural na evaporação da solução ABE padrão durante a recuperação a vácuo. Durante as fermentações, foi realizada a recuperação in-situ por ciclos de 2 horas a vácuo e 4 horas a pressão atmosférica. A fermentação a vácuo resultou na redução do tempo de fermentação, na conversão de 97% dos açúcares totais, melhoria no crescimento celular e produção de ABE por C. saccharoperbutilylacetonicum. Como resultado, essa abordagem aumentou a produtividade e o rendimento dos solventes ABE. No Capítulo 5, são apresentados inéditos resultados sobre a capacidade do C. saccharoperbutilylacetonicum DSM 14923 de crescer como biofilme, bem como a primeira análise da composição do biofilme em termos de substâncias poliméricas extracelulares (EPS). Para tanto, foram aplicadas técnicas analíticas de ponta, como espectroscopia, cromatografia, análise morfológica e colorimétrica, juntamente com proteômica quantitativa para obter uma caracterização aprofundada desses biofilmes. O crescimento mais rápido do biofilme foi observado em uma alta taxa de diluição (D = 0,28 h-1) durante o cultivo em quimiostato, sob condições acidogênicas. Verificou-se que as células planctônicas, agregados e biofilme continham glicerol, galactosamina, ramnose, glucosamina, glicose e ribose. Xilose e manose foram identificadas apenas na amostra de biofilme. As células de biofilme, agregados e planctônicas continham 4%, 7% e 11% (em peso) respectivamente de equivalentes da mistura de açúcar e 99%, 84% e 53% (em peso) respectivamente de equivalentes de BSA. Portanto, concluiu-se que o biofilme formado por C. saccharoperbutilacetonicum é dominado por polipeptídeos/proteínas. Um número total de 164 proteínas foi enriquecido nas amostras de biofilme quando comparado às células planctônicas das quais 124 foram identificadas, com base na homologia (47%) ou na similaridade de sequência (53%), sendo que 40 não puderam ser caracterizadas. Notavelmente, um homólogo de ?-lactamase foi identificado na amostra de biofilme, indicando possível resistência a antibióticos de células cultivadas em biofilme. No Capítulo 6, o potencial e a robustez do C. saccharoperbutilacetonicum são evidenciados nesta tese. O impacto da produção de butanol usando biofilmes e recuperação de produtos a vácuo no setor da bioenergia, bem como a importância do uso de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana (um substrato abundante e barato) são destacados como estratégias para resolver parcialmente o problema da viabilidade econômica do processo de fermentação ABE de segunda geração. No entanto, desafios como baixo rendimento e intensidade energética do processo de recuperação devem ser superados para usar com sucesso o butanol como combustível alternativo, mostrando assim a necessidade de futuras investigações para tornar a produção de butanol de segunda geração em escala industrial uma realidade Abstract: Nowadays, the biotechnology industry is facing the challenge of producing suitable equivalents for petroleum-based products from renewable resources in a sustainable and economically feasible way. Finding cleaner alternatives for gasoline, fuels, and chemicals, has been the subject of research worldwide, whether for economic, geopolitical, or environmental reasons. Among these alternatives, liquid fuels derived from biomass stand out for their eco-friendly production. In the context of second-generation (2G) ethanol production from lignocellulosic feedstocks, a significant part of the sugars, namely the pentoses (C5), cannot be metabolized by conventional Saccharomyces cerevisiae yeasts. Amongst several possibilities of using C5 as feedstock, the conversion to butanol is attracting interest because it is a valuable chemical building block and at the same time, an advanced biofuel with closer physical properties to gasoline. Butanol can be produced either from petroleum derivatives (oxo process from propylene) or from renewable feedstocks in the acetone, butanol, and ethanol (ABE) fermentation process by solvent-producing Clostridium spp., which are capable of metabolizing C5 sugars and a wide variety of other substrates. However, bio-based butanol production is more challenging compared to ethanol production and its economic feasibility on an industrial scale faces obstacles such as butanol inhibition, low process energy efficiency, greater separation difficulties compared to ethanol, low yield and low productivity, as well as relatively high substrate cost, representing up to two-thirds of the costs of the whole butanol production process. Hence, efficient recovery of butanol from dilute fermentation broth (~12 g butanol/L) determines, to a large extent, the production process efficiency. Furthermore, in a 2G process, the ABE fermentation is sensitive to inhibitory compounds present in the hemicellulosic hydrolysate generated in the biomass pre-treatment. Facing these challenges and considering the high impact that the usage of low-cost lignocellulosic feedstocks could represent, this work aims to explore different strategies for contributing towards the development of sugarcane-based biorefinery systems, with a primary focus on C5 sugars valorization. Therefore, in Chapter 2, a systematic fermentation study is described of four wild-type Clostridia strains, namely C. acetobutylicum DSM 6228, C. beijerinckii DSM 6422, C. saccharobutylicum DSM 13864, and C. saccharoperbutylacetonicum DSM 14923, as potential candidates for ABE biosynthesis using xylose or glucose as the primary carbon source. Here, the ability of C. saccharobutylicum DSM 13864 and C. saccharoperbutylacetonicum DSM 14923 is highlighted, as well as the remarkable ability of the latter strain to reach a relatively high ABE titer (>7.0 g/L) from the non-detoxified hemicellulosic hydrolysate. The results indicated the potential of C. saccharoperbutylacetonicum DSM 14923 as a promising microbial platform for second-generation butanol production. New insights regarding the performance, synergistic effect of inhibitors, robustness, and butanol tolerance of C. sacharoperbutylacetonicum DSM 14923 are presented. Subsequently, Chapter 3, addresses a study on the applicability of mixtures of sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysate (HH) and sugarcane molasses (SCM) as substrates for second-generation ABE production. The co-fermentation of these two substrates was investigated as a strategy to lower the concentrations of the inhibitors present in HH, thus avoiding the costs of detoxification steps. The best results in terms of ABE titer (8.22 g/L) and yield (0.34 g/g) were obtained when 75% of the sugars were from SCM. When HH was concentrated (from 15 to 52 g/L), both the ABE titer and yield increased to 9.79 g/L and 0.36 g/g, respectively, most likely as a result of a positive synergistic effect between low concentrations of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) and the media compounds. The sugar preference of the strain on these mixed media was as follows: glucose>fructose>sucrose>xylose>arabinose. The obtained results demonstrated that the addition of SCM at high ratios promoted the effective bioconversion of concentrated C5 hydrolysates into butanol at high yields and productivities. Thus, new insights towards a closed-loop path of butanol in a circular economy for the valorization of a sugarcane biorefinery were obtained. In addition, two strategies for increasing the butanol productivity of the process were approached by alleviating product inhibition to the cells and allowing the processing of concentrated sugar solutions: i) a fermentation technology with integrated product recovery by means of intermittent vacuum (Chapter 4), and ii) an in-depth research of biofilm formation by C. sacharoperbutylacetonicum DSM 14923. Hereby the composition and properties of the extracellular polymeric substances present in the biofilm were compared to those of planktonic cells to obtain a better understanding of how the biofilm lifestyle can protect the cells against harsh environments (Chapter 5). Thus, extractive ABE batch fermentations by C. saccharoperbutylacetonicum DSMZ 14923 were carried out in which intermittent vacuum cycles were applied for in-situ butanol removal (Chapter 4). Firstly, an ABE standard solution at 56 mmHg and 25 mmHg at 30 °C was used to characterize the vacuum recovery process. Subsequently, the lowest absolute vacuum was chosen to assess the impact of the presence of acetic acid, 5-hydroxymethylfurfural (HMF), and furfural on evaporation from the standard ABE solution during vacuum recovery. Finally, ABE fermentations were carried out whereby the optimum medium composition obtained in Chapter 3 (i.e., 75% of SCM and 25% of HH) was used. During the fermentations, in-situ recovery by cycles of 2-hours low pressure and 4-hours of atmospheric pressure was performed. Vacuum fermentation resulted in a decrease in the fermentation time, 97% conversion of total sugars, and improved cell growth and ABE production by C. saccharoperbutylacetonicum. As a result, this approach increased ABE productivity and ABE yield. In Chapter 5, entirely novel results are presented about the ability of the wild-type C. saccharoperbutylacetonicum DSM 14923 to grow as a biofilm, as well as the first analysis of biofilm composition in terms of extracellular polymeric substances (EPS). To this end, a comparative study was conducted to investigate the functional mechanisms in biofilms compared to planktonic cells. Hereby we applied cutting-edge analytical techniques such as spectroscopy, chromatography, morphological, and colorimetric analysis, along with quantitative proteomics of sessile and planktonic cells to obtain an in-depth characterization of these biofilms. The fastest biofilm growth was observed at a high dilution rate (D = 0.28 h-1) during chemostat cultivation under acidogenic conditions. Autofluorescence revealed the likely presence of tryptophan. It was found that planktonic cells, aggregates, and biofilm contained glycerol, galactosamine, rhamnose, glucosamine, glucose, and ribose. Xylose and mannose were only identified in the biofilm sample. Biofilm, aggregates, and planktonic cells contained respectively 4 wt%, 7 wt%, and 11 wt% sugar mix equivalents, and respectively 99 wt%, 84 wt%, and 53 wt% BSA equivalents. Therefore, it was concluded that the biofilm formed by C. saccharoperbutylacetonicum is dominated by polypeptides/proteins. A total number of 164 proteins were enriched in the biofilm samples when compared with the planktonic cells, of which 124 were identified, either based on homology (47%) or sequence similarity (53%), and 40 could not be characterized. Most remarkably, a ?-lactamase homolog was identified in the biofilm sample, indicating possible antibiotic resistance of biofilm grown cells. In Chapter 6, the potential and robustness of C. saccharoperbutylacetonicum are evidenced in this thesis. The impact of butanol production using biofilms and vacuum product recovery on the bioenergy sector as well as the importance of using sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysate (an abundant and inexpensive substrate) are highlighted as strategies to partly solve the problem of the economic viability of second-generation ABE fermentation. Nevertheless, challenges such as low yield and energy-intensity of the recovery process must be overcome to successfully apply butanol as an alternative fuel, thus showing the need for future investigations to make second-generation butanol production on industrial scale becomes a reality Doutorado Bioenergia Doutora em Ciências CNPQ 141465/2015-8

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Nos últimos anos, tem-se verificado um crescente interesse em fontes alternativas limpas de combustíveis e na utilização das fontes de energia renováveis. Esse é o caso do processo de etanol celulósico que pode ser produzido a partir de resíduos da produção agrícola e madeiras entre outros tipos de biomassa. No Brasil, esse processo poderia aumentar a produção de etanol na indústria de cana-de-açúcar. No entanto, os processos de fermentação têm uma dificuldade inerente em medições em tempo real como etanol e concentrações de açúcares. A forma convencional de quantificá-los requer grandes quantidades de recursos, levando a diminuição na produtividade e rendimento no processo. Além disso, a falta de informação de variáveis do processo em tempo real limita a implementação de estratégias de controle avançado. Desta forma, este trabalho propõe uma abordagem alternativa, através de predições on-line por um sensor virtual baseado em rede neural artificial aplicado a um processo de fermentação contínua, com 4 fermentadores em série, de etanol de segunda geração. Neste estudo, foi determinada a concentração de etanol no quarto reator do processo usando as temperaturas no fermentadores 1 a 4 e o fluxo de massa de açúcares, provenientes da hidrósile enzimática, que entram no primeiro fermentador. Além disso, um controlador preditivo baseado em modelo neural foi implementado no processo em conjunto com o soft-sensor com a finalidade de comparar com formas convencionais de controle como PID. Os resultados mostraram que a técnica de sensores virtuais é uma solução factível com potencial de ser aplicada em processos industriais, apresentando um baixo erro acumulado entre a saída do processo fenomenológico e do estimado pelo soft-sensor, mesmo quando submetido a perturbações randômicas na vazão de alimentação de substrato durante 5000 horas de simulação. O controle MPC aplicado ao processo demostrou uma oscilação reduzida um tempo de acomodação significativamente menor se comparado com o controle PID quando submetidos a perturbações degrau Abstract: n the last years, it has been an increasing interest in clean alternative sources of fuels and the use of the renewable sources of energy. That is the case of the cellulosic ethanol process that could produce of waste of crops, woods or another kind of biomass. In Brazil, this process could increase the production of ethanol in the sugarcane industry. However, the fermentation processes have an inherent difficult in real time measurements as ethanol and sugar concentrations; the conventional way to measure these variables requires large amounts of resources and time making a significant delay in the process operational decisions decreasing the productivity and yield on the process. Additionally, this problem limits the implementation of advanced control strategies. In this way, this work proposes an alternative approach, basen on for on-line measurements, by a virtual sensor based on artificial neural network applied to a continuous fermentation process of the second generation. In this case study, it was determined the ethanol concentration in the fourth process fermentor, the last one, using the temperatures at the fermentor 1 to 4 and the mass flow of sugars that get into the first fermentor. In addition, a predictive controller based on neural model was implemented in the process together with the soft-sensor in order to compare with conventional control forms such as PID. The results showed that the technique of virtual sensors is a feasible solution with potential to be applied in industrial processes, presenting a low accumulated error between the phenomenological process and the estimated by the soft sensor, even when subjected to random perturbations in the flow of Substrate feed for 5000 hours of simulation. The MPC control applied to the process showed a reduced oscillation a significantly shorter accommodation time when compared to the PID control when subjected to step disturbances Mestrado Engenharia de Processos Mestre em Engenharia Química CNPQ 131000/2015-2

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Para a evolução da ciência e melhoramento na qualidade de vida, o uso da tecnologia é imprescindível para solucionar os problemas relacionados com o uso desenfreado dos recursos naturais e poluição ambiental. A substituição de recursos não renováveis tem se apresentado como uma solução alternativa, na qual uma nova rota para a produção de ácido propanóico está inserida nesses preceitos. Atualmente a larga escala de produção do ácido propanóico advém da rota petroquímica, e a utilização da glicerina para a produção de ácidos orgânicos se tornou uma alternativa para amenizar os danos sensíveis ao meio ambiente. No entanto, a tese apresentada retrata de uma alternativa de síntese do ácido propanóico por rota fermentativa, neste são apresentadas as etapas do processo, desde a matéria-prima ao produto final. Neste âmbito surgem os estudos de análise e seleção do meio de cultura apresentando o direcionamento na escolha de alguns sais, do extrato de levedura e da concentração de glicerina em relação ao rendimento, eficiência e conversão em ácido propanóico, nesse estudo foi possível obter um rendimento de 80% na produção do ácido propanóico, uma eficiência de 99 % e conversão de 67 % para as concentrações de 20 g/L para a glicerina, 15 g/L para o extrato de levedura, 3 g/L para o NH4H2PO4 (g/L) e 1 g/L de KH2PO4 (g/L); o desenvolvimento de um processo inovador e de alto potencial industrial que foi realizado através de um processo de fermentação anaeróbica parcial na qual houve um consumo total do reagente alimentado e 100% de rendimento, obtendo como produto final da fermentação o ácido propanóico e o ácido succínico, quando comparada com a fermentação convencional no qual foi obtido apenas o ácido propanóico e apresentado resíduo no final do processo, o substrato; o estudo da influência do efeito combinado da concentração de ácido propanóico e da temperatura no processo fermentativo em que foi possível obter de 83 a 97 % de rendimento e uma conversão de 100% utilizando a temperatura de 30 ºC; a escolha do modelo e estimativa dos parâmetros cinéticos em função da temperatura, onde os parâmetros cinéticos foram calculados para o modelo não estruturado e não segregado através do método de otimização por algoritmo genético obtendo uma maior reprodutibilidade para as faixas de estudo; e a separação do ácido propanóico do meio fermentado utilizando um sistema evaporativo através do destilador molecular, neste o meio fermentado obtido foi facilmente separado através do pré-tratamento por separação sólido-líquido e obtida a separação do ácido propanóico dos demais componentes do meio fermentado no condensador externo na pressão de 100 mbar e temperatura de 130 °C Abstract: For the evolution of science and improvement in quality of life, the use of technology is essential to solve the problems related to the rampant use of natural resources and environmental pollution. The substitution of non-renewable resources has emerged as an alternative solution, in which a new route for the production of propionic acid is inserted in these precepts. Today the large scale production propionic acid comes from petrochemical route, and the use of glycerin to produce organic acids has become an alternative to mitigate the environmentally sensitive damages that are a priori, a requirement for actually possible remain competitive in the market. However, the thesis presented portrays an alternative synthesis of propionic acid by fermentative route, this are the steps of the process, from raw material to finished product. In this context the study of analysis and selection of culture media presenting the guidance in the choice of some salts, yeast extract and glycerin concentration in relation to the performance, efficiency and conversion in propionic acid, this study arise was possible to obtain a yield 80% propionic acid in the production of an efficiency of 99% and 67% conversion for the concentration of 20 g / L glycerin, 15 g / L of yeast extract, 3 g/L NH4H2PO4 to (g/L) and 1 g / L of KH2PO4 (g/L); the development of a novel and high potential industry process was carried out through a process of anaerobic fermentation part in which there was complete consumption of the supplied reagent and 100% yield, obtained as an end product of fermentation propionic acid and succinic acid compared with conventional fermentation in which was only obtained propionic acid and the residue submitted at the end of the process the substrate; the study of the influence of the combined effect of concentration and temperature propionic acid in the fermentation process it was possible to obtain 83-97% conversion and a yield of 100% using a temperature of 30 °C; the choice of the model and estimation of kinetic parameters depending on the temperature, where the kinetic parameters were calculated for the model unstructured and not segregation by the method of optimization by a genetic algorithm for obtaining greater reproducibility study tracks; and separating propionic acid fermentation broth using an evaporative system through the molecular still, in the fermentation medium was readily obtained by separate treatment by solid-liquid separation and separation of the obtained propionic acid from the other components of the fermentation broth external condenser at a pressure of 100 mbar and temperature of 130 °C Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutora em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Este trabalho teve como objetivo desenvolver um programa computacional capaz de auxiliar o estudo da cinética de fermentação em reator de batelada alimentada ou simples. O resultado foi o programa nomeado FERMENTA, o qual simula fermentação considerando tanto um único substrato, os açúcares redutores totais (ART), como dois substratos, a glicose e a frutose. A descrição cinética resulta de um procedimento computacional de simulação que utiliza equações modelo para a estimativa da velocidade específica de crescimento da levedura ( ? ), resolvendo numericamente, por Runge-Kutta de quarta ordem, as equações diferenciais dos balanços de massa para os componentes no reator. Os dados inseridos são os parâmetros de operação do reator e os valores dos parâmetros cinéticos da equação escolhida. A resposta é apresentada como gráfico das curvas cinéticas da concentração dos componentes, informando qualquer valor em qualquer instante. Se há dados experimentais, também são calculados os desvios entre estes e os valores simulados. Uma estratégia de regressão a partir da simulação utiliza uma matriz do tipo empregado em desenho fatorial completo e permite o ajuste dos parâmetros da equação para ? ao conjunto de dados experimentais, sem o conhecimento prévio dos valores dos parâmetros cinéticos nesta equação. A resposta, ou "melhor ajuste", é o conjunto dos valores destes parâmetros que minimiza os desvios. O programa disponibiliza 28 diferentes equações para ? , todas coletadas na literatura. Quando simula ou ajusta considerando dois substratos, resolve para ? = ?G + ?F ,ou seja, estratifica a modelagem do metabolismo para cada substrato e, deste modo, tem-se 282 =784 modelos diferentes que podem ser testados. A linguagem de programação empregada foi o Object Pascal e a construção do programa utilizou o software compilador Borland® Delphi 7, o que permitiu obter-se um aplicativo de fácil utilização, orientado por eventos simples e em ambiente Windows Abstract: This work aimed at developing a computer program able to the study of alcoholic fermentation kinetics in single or fed-batch reactor. The result was a program named FERMENTA, which simulates the fermentation, considering both a single substrate, the Total Reducing Sugars (TRS), and for two substrates, glucose and fructose. The kinetic description results from a computational procedure for simulation that uses equations to estimate the yeast specific growth rate ( ? ), and to solve numerically, by fourth order Runge-Kutta, mass balances differential equations for the components in the reactor. Data are inserted as the parameters of reactor operation and the equation kinetics coefficients values. The result is shown as a graph of the kinetic curves for components concentration, also informing any value at any time. With the experimental data, the deviations between it and simulated values are also calculated. A strategy of recurrence from the simulation using a matrix of the type used in full factorial design allows adjusting the equation to the experimental data set without prior knowledge of the kinetic coefficients values. The response, or "best fit", is the set of values of these coefficients that minimizes the deviations. The program has 28 different equations for calculate ?, all gathered in the literature. When simulating or adjusting considering two substrates, the program solves for ? = ?G + ?F equation, i.e., it stratifies the metabolism by substrate and, thus, there are 282 = 784 different models that can be tested. The computer language used was the Object Pascal and the program construction used Borland® Delphi 7 Studio Architec Edition software, which allowed to obtain an application for Windows environment, simple event-driven and easy to use Mestrado Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho, Daniel Ibraim Pires Atala Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O contínuo desenvolvimento de processos fermentativos de baixo custo e altamente eficientes para produção de ácidos orgânicos cria novas oportunidades para produção de produtos químicos a partir de matéria-prima renovável. A combinação do baixo custo de produção de ácido láctico a partir da fermentação da cana-de-açúcar, redução da dependência do petróleo e o uso de biocatalisadores, tornam o processo de produção de acrilatos e lactatos atrativo do ponto de vista ambiental e também econômico, dependendo do processo. Novas aplicações de ácido láctico, principalmente, na produção de polímeros biodegradáveis e bioabsorvíveis (poli-ácido láctico) e solventes verdes (lactato de etila) vêm despertando interesse e tem potencial para expandir o mercado, desde que processos economicamente viáveis e eficientemente competitivos sejam desenvolvidos. Este trabalho teve como objetivo a produção de ácido láctico via processo fermentativo, seguindo com sua esterificação com etanol para obtenção de lactato de etila e posterior desidratação de lactato de etila para síntese de acrilato de etila. A fim de determinar condições ideais de processo, considerando uso de matéria-prima renovável e de baixo custo, inicialmente foi selecionada uma bactéria láctica adaptada a ambiente industrial, capaz de assimilar sacarose para produção de ácido láctico. Foram desenvolvidos planejamentos experimentais para determinação das melhores condições operacionais e também, determinada a cinética do processo de fermentação láctica, que foi usada na modelagem do processo. O ácido láctico produzido foi esterificado com etanol a partir de um processo de destilação reativa para obtenção de lactato de etila. Para finalizar o trabalho, foram avaliados caminhos alternativos para desidratação de lactato de etila para síntese de acrilato de etila Abstract: The continuous development of fermentative processes of low cost and highly efficient to organic acids production to create new opportunities for chemical production from renewable raw materials. The combination of the low cost of lactic acid production from sugarcane fermentation, reduction oil dependence and biocatalysts use, make the production of acrylates and lactates attractive of the viewpoint environmental and also economic, depending on the process. New application of lactic acid, mainly in the production of biodegradable polymer (polylactic acid) and green solvents (ethyl lactate) have attracted interest and has potential to expand the market since economically viable and competitive effectively processes are developed. The aim of this study was the lactic acid production by fermentation, following with its esterification with ethanol to obtain ethyl lactate and subsequent dehydration to the ethyl acrylate synthesis. In order to determine the process ideal conditions, considering the use of renewable raw materials and low cost, initially was selected a lactic acid bacteria adapted to an industrial environment, able to ferment sucrose to lactic acid production. Were developed experimental design for determining the best operating conditions and to determine the kinetics of lactic fermentation which was used in the fermentative process modeling. Lactic acid produced was esterified with etanol from a reactive distillation process for obtaining ethyl lactate. To conclude the work, were evaluated alternative pathways for ethyl lactate dehydration to the ethyl acrylate synthesis Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Silvio Roberto Andrietta Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho consiste em determinar o modelo que melhor descreve a fermentação alcoólica industrial, em sistemas contínuos de reatores de mistura em série. Para determinação dos parâmetros cinéticos foi desenvolvido um programa utilizando os dados de análises feitas em amostras retiradas de usinas em operação. Dos modelos testados, o Tosseto (2002), Lee; Pagan; Rogers (1983) e Levenspiel (1980), não apresentaram incoerência física nem problema de convergência sendo estes indicados para descrever a cinética da fermentação alcoólica. Os parâmetros cinéticos comuns aos modelos apresentaram valores semelhantes, onde o parâmetro Ks' limitação pelo substrato, foi de 3,0:t 0,4, o valor da concentração limite pelo produto inibidor, Pmáx' foi 92:t 9 e o fator exponencial de inibição pelo produto, YN, foi 5,3:t 0,9. O fator de inibição pelo substrato do modelo Tosseto (2002), Ki, foi 27:t 5 . O parâmetro X máx ' inibição pela massa celular, e YM, fator exponencial desta inibição, para o modelo Lee; Pagan; Rogers (1983) foram 1O0:t 1 e 0,9:t 0,1, respectivamente. A escolha pelo modelo Tosetto (2002) para implementação do programa de simulação do processo foi devido à tentativa de uma maior abrangência na obtenção das constantes cinéticas devido à possibilidade de inibição pelo substrato. A simulação em regime permanente trata-se da resolução equações algébricas dos balanços de massa do sistema e é capaz de dimensionar a etapa de fermentação de novas plantas a serem implantadas, enquanto que a simulação em regime transiente, tem o intuito de avaliar modificações durante a operação da usina e as equações diferenciais obtidas a partir dos balanços de massa devem ser resolvidas por método numérico, que neste caso foi utilizado o Runge-Kutta de quarta ordem Abstract: This work aimed to determinate a model that best describes the industrial scale alcoholic fermentation in continuous serial mixing reactors. Software was developed in order to establish the kinetics parameters, using analysis data performed on samples from operating plants. The models described by Tosseto (2002), Lee; Pagan; Rogers (1983) and Levenspiel (1980), did not display physical incoherence or even convergence problems that described alcoholic fermentation kinetics. The kinetics parameters shown in all models presented similar values, like K (substrate limitation) was 3,0:t 0,4, Pmáx (limited product concentration) was 92:t 9 and YN (product inhibition power factor) was 5,3:t 0,9. The K (substrate inhibition) studied by Tosseto (2002) was 27:t 5. X máx (cell mass inhibition) and YM (cell mass inhibition factor power) were respectively 1O0:t 1 and 0,9:t 0,1 to Lee; Pagan; Rogers (1983). The kinetics parameters abranger due the substrate inhibition obtained by Tosetto (2002) this model was chosen in order to implement the simulating software. The stady state simulation is about system' s mass balance algebric equations resolution and is capable to dimension the fermentation step in new plants to be implanted while the unstady state simulation have the intention to evaluate modifications during the plant operation and the differential equations obtained from mass balance must be resolved by numerical methods, in this case, was used the fouth order Runge-Kutta Doutorado Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos Doutor em Engenharia Química