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The development of biorefineries brings the necessity of an efficient consumption of all sugars released from biomasses, including xylose. In addition, the presence of inhibitors in biomass hydrolysates is one of the main challenges in bioprocess feasibility. In this study, the application of Ca-alginate hybrid gels in the immobilization of xylose-consuming recombinant yeast was explored with the aim of improving the tolerance of inhibitors. The recombinant yeast Saccharomyces cerevisiae GSE16-T18SI.1 (T18) was immobilized in Ca-alginate and Ca-alginate-chitosan hybrid beads, and its performance on xylose fermentation was evaluated in terms of tolerance to different acetic acid concentrations (0-12 g/L) and repeated batches of crude sugarcane bagasse hemicellulose hydrolysate. The use of the hybrid gel improved yeast performance in the presence of 12 g/L of acetic acid, achieving 1.13 g/L/h of productivity and reaching 75% of the theoretical ethanol yield, with an improvement of 32% in the xylose consumption rate (1:1 Vbeads/Vmedium, 35 °C, 150 rpm and pH 5.2). The use of hybrid alginate-chitosan gel also led to better yeast performance at crude hydrolysate, yielding one more batch than the pure-alginate beads. These results demonstrate the potential of a hybrid gel as an approach that could increase 2G ethanol productivity and allow cell recycling for a longer period. ispartof: POLYMERS vol:14 issue:12 ispartof: location:Switzerland status: published

Made available in DSpace on 2022-05-01T09:47:26Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2021-11-01 Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) β-Glucosidases have been extensively investigated to integrate the enzyme complex for cellulose fiber saccharification and for improving the aroma of wine. To produce these enzymes, greater attention has been given to filamentous fungi and bacteria, and few investigations have targeted the potential applications of enzymes secreted by yeasts. Addressing this issue, in this study, β-glucosidases were produced by the Pichia ofunaensis and Trichosporon multisporum yeasts, via solid state fermentation with wheat bran as a substrate. When using p-Nitrophenyl β-d-glucopyranoside (pNPG) as an enzyme substrate, maximum β-glucosidase activities were detected at pH 5.5–6.0 and 50–60 °C for P. ofunaensis, and pH 5–6 and 55 °C for T. multisporum. Both enzymes were able to hydrolyze cellobiose and exhibited stability over a wide range of pH (3.5–9.0) for 24 h at 4 °C, thermostability up to 50 °C for 1 h and tolerance to 10 mM phenolic compounds. Negative modulation on enzyme activity was observed in the presence of Cu2+, Fe3+, Zn2+, Al3+ and Hg2+, while both β-glucosidases were tolerant to 30% methanol, isopropanol and acetone. In the presence of ethanol and glucose, enzymes from P. ofunaensis were the more active and stable of the two. These enzymes, especially the P. ofunaensis β-glucosidases, could be tested in enology for improving the aroma of wine and for integrating a cellulolytic complex to produce 2G ethanol. Instituto de Biociências Letras e Ciências Exatas Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, R/Cristóvão Colombo, 2265, Jd Nazareth, Ibilce-Unesp Instituto de Biociências Letras e Ciências Exatas Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, R/Cristóvão Colombo, 2265, Jd Nazareth, Ibilce-Unesp FAPESP: 2017/06066-4 FAPESP: 2017/06399-3 FAPESP: 2018/07036-4

Este trabalho teve como objetivo analisar a viabilidade de utilizar uma co-cultura das leveduras S. stipitis/S. cerevisiae para otimizar a produção de etanol 2G a partir de uma mistura de D-xilose/D-xilulose. A mistura foi obtida pela isomerização de xilose utilizando a enzima xilose isomerase. Experimentos realizados com as leveduras puras e posteriormente com a co-cultura foram comparados. Utilizando o meio YPX/X, contendo xilose e xilulose na proporção de 3 para 1, a S. stipitis pura consumiu as duas fontes de carbono (preferencialmente a xilose), o que levou a produção de 4,601g/L de etanol. Já no caso da S. cerevisiae pura, esta levedura consumiu unicamente D-xilulose e produziu 3,373 g/L de etanol. Para a co-cultura S. stipitis/S. cerevisiae foram testadas diferentes proporções de mistura para as ambas as leveduras, mas a porcentagem (50% / 50%) levou a uma produção de etanol de 10,010 g/L e a uma produtividade de 0,139 g/L.h. Finalmente, através do uso de um mini dispositivo desenvolvido numa impressora 3D, foi realizada uma fermentação contínua com o intuito de estudar de forma mais detalhada o perfil dos metabólitos produzidos. A fermentação contínua foi capaz de produzir 9,541g/L de etanol, chegando ao estado estacionário em 72 horas. Pode-se inferir que a utilização de uma co-cultura permitiu um aumento de 300% na produtividade e favoreceu a maior produção de etanol 2G. This work aimed to analyze the feasibility of using a co-culture of S. stipitis/S. cerevisiae yeasts. to optimize 2G ethanol production from a D-xylose/D-xylulose blend. The mixture was obtained by xylose isomerization using the enzyme xylose isomerase. Experiments performed with pure yeasts and later with co-culture were compared. Using YPX/X medium, containing xylose and xylulose in a ratio of 3 to 1, pure S. stipitis consumed both carbon sources (preferably xylose), which led to the production of 4.601g/L of ethanol. In the case of pure S. cerevisiae, this yeast consumed only D-xylulose and produced 3.373 g/L of ethanol. For the S. stipitis/S. cerevisiae different mixing ratios were tested for both yeasts, but the percentage (50% / 50%) led to an ethanol production of 10.010 g/L and a productivity of 0.139 g/L.h. Finally, through the use of a mini-device developed in a 3D printer, continuous fermentation was carried out in order to study in more detail the profile of the metabolites produced. Continuous fermentation was able to produce 9.541g/L of ethanol, reaching steady state in 72 hours. It can be inferred that the use of a co-culture allowed a 300% increase in productivity and favored a greater production of 2G ethanol.

Decarbonization programs are being proposed worldwide to reduce greenhouse gas (GHG) emissions from transportation fuels, using Life Cycle Assessment (LCA) models or tools. Although such models are broadly accepted, varying results are often observed. This study describes similarities and differences of key decarbonization programs and their GHG calculators and compares established LCA models for assessing 2G ethanol from lignocellulosic feedstock. The selected LCA models were GHGenius, GREET, JRC’s model, and VSB, which originated calculators for British Columbia’s Low Carbon Fuel Standard, California’s Low Carbon Fuel Standard, Renewable Energy Directive, and RenovaBio, respectively. We performed a harmonization of the selected models by inserting data of one model into other ones to illustrate the possibility of obtaining similar results after a few harmonization steps and to determine which parameters have higher contribution to closing the gap between default results. Differences among 2G ethanol from wheat straw were limited to 0.1 gCO2eq. MJ−1, and discrepancies in emissions decreased by 95% and 78% for corn stover and forest residues, respectively. Better understanding of structure, calculation procedures, parameters, and methodological assumptions among the LCA models is a first step towards an improved harmonization that will allow a globally accepted and exchangeable carbon credit system to be created.

Orientador: Gonçalo Amarante Guimarães Pereira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: O Brasil é um dos líderes mundiais na produção de etanol, porém o país já enfrenta uma grande limitação imposta pela tecnologia de primeira geração. Assim, novas alternativas vêm sendo propostas, com destaque para a tecnologia de segunda geração, que consiste em utilizar os resíduos lignocelulósicos da cana-de-açúcar para a produção de etanol. Um dos maiores desafios dessa nova tecnologia é o desenvolvimento de uma levedura industrial capaz de produzir etanol a partir da xilose existente no material lignocelulósico. Apesar de estudos mostrarem resultados promissores na obtenção de etanol com micro-organismos naturalmente capazes de fermentar tanto hexoses (glicose) quanto pentoses (xilose), nenhum deles possui a mesma capacidade fermentativa, tolerância a etanol e robustez da S. cerevisiae. Logo, a modificação genética desta espécie para utilizar as vias metabólicas de assimilação de xiloses surge como um dos maiores desafios atuais para alavancar a produção de bioetanol no Brasil. A fim de tornar possível a fermentação de xilose por S. cerevisiae, é necessária a manipulação do seu genoma para a inserção de alguma via que permita a conversão de xilose em xilulose, sendo que são conhecidas duas vias capazes de realizar essa conversão: a via oxi-redutiva, composta pelas enzimas xilose redutase (XR) e xilitol desidrogenase (XDH), e a via da isomerização, composta pela enzima xilose isomerase (XI). Ambas apresentam limitações quando expressas em S. cerevisiae, a via oxi-redutiva apresenta um desequilíbrio nos cofatores das enzimas, o que provoca acúmulo de xilitol e limitação na produção de etanol. A via da isomerização não apresenta tal limitação, porém a enzima da xilose isomerase não possui atividade catalítica quando expressada em S. cerevisiae, provavelmente devido a incorreto enovelamento dessas proteínas. Neste trabalho foram utilizadas ferramentas de biologia de sistemas para simular modelos metabólicos em escala genômica de fermentação de xilose por S. cerevisiae, a fim de estudar o desequilíbrio de cofatores da via oxi-redutiva e identificar possíveis alvos de engenharia genética. As simulações foram realizadas utilizando a abordagem de análise de balanço de fluxo (FBA) que prediz, através de programação dinâmica, o máximo valor possível de uma determinada função objetivo (que normalmente representa a produção de biomassa) de um sistema linear com equações e restrições representando o fluxo de metabólitos em uma enzima. Também foram realizados trabalhos de mineração de sequências em bancos de dados públicos, na tentativa de encontrar xilose isomerases com potencial de terem uma atividade catalítica em S. cerevisiae, além de trabalhos de modelagem de proteínas por homologia, utilizando proteínas funcionais e não funcionais, a fim de identificar características estruturais que determinam sua funcionalidade em S. cerevisiae Abstract:Brazil is a world leader in ethanol production, but the country is already facing a major limitation imposed by first-generation ethanol production technology. Thus, new alternatives are being proposed, notably the second-generation technology, which consists in use sugarcane lignocellulosic residues for ethanol production. One of the major challenges to this new technology is the development of a yeast capable of producing ethanol from the xylose present in the lignocellulosic material. Although studies showing promising results with microorganisms naturally capable of ferment both hexoses (glucose) and pentoses (xylose) sugars to ethanol, none of them has the same fermentative capacity, ethanol tolerance and robustness than S. cerevisiae. Therefore, the genetic modification of this species to insert metabolic pathways to consume xylose appears as one of the biggest current challenges to boost the bioethanol production in Brazil. In order to make possible the xylose fermentation by S. cerevisiae, the insertion of some pathway that converts xylose to xylulose is necessary, being that two pathways are known as capable of performing this conversion: the oxido-reductase pathway, formed by the enzymes xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XDH), and the isomerase pathway, formed by the enzyme xylose isomerase (XI). Both pathways present limitations when expressed in S. cerevisiae, the oxido-reductase pathway has a problem related to cofactor imbalance of its enzymes, what causes xylitol accumulation and limitation in ethanol production. The isomerase pathway does not show this limitation, but even so, the enzyme xylose isomerase does not present catalytic activity when expressed in S. cerevisiae, probably due to incorrect folding of this protein. In this work, systems biology tools were used to simulate xylose fermentation in genome-scale metabolic models of S. cerevisiae, in order to study the cofactors imbalance of the oxido-reductase pathway and identify possible genetic engineering targets. The simulations were performed with flux balance analysis (FBA) approach, that predicts, with dynamic programming, the maximum value possible of a defined objective function (which usually represents the biomass production) of a linear system with equations and restrictions representing the metabolic flux through an enzyme. In addition, data mining in public databases was done in attempt to find xyloses isomerases with potential to have catalytic activity in S. cerevisiae, besides works of protein homology modeling based on functional and non-functional proteins in order to identify structural features that define its functionality in S. cerevisiae Mestrado Bioinformática Mestre em Genética e Biologia Molecular CAPES

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

Orientadores: José Maria Ferreira Jardim da Silveira, Marcelo Marques de Magalhães Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Economia Resumo: A partir do aumento da demanda por fontes de energia renováveis disseminado pelo debate vinculado a necessidade de desenvolvimento sustentável das nações, justificado pelo fato que cada vez mais as fontes de energia não-renováveis estarem em estado de escassez, além dos problemas ambientais de emissões de poluentes e problemas econômicos da necessidade de diminuição da dependência energética pelas nações. O desenvolvimento de alternativas energéticas de fontes renováveis em âmbito técnico e organizacional se tornam essenciais para atingir os objetivos sustentáveis determinados pelos acordos internacionais. No caso específico do Brasil, a produção de biocombustíveis derivados da cana-de-açúcar já é uma realidade, entretanto, nota-se que, a produção de cana-de-açúcar no Brasil cresceu tanto no avanço da área quanto na produtividade, mas há limites para o crescimento de sua produção. Assim, a biomassa de cana-de-açúcar pode ser melhor aproveitada, a partir do bagaço e da palha, para a produção de etanol de segunda geração (2G) e outros produtos, por uma biorrefinaria. Entretanto, o desenvolvimento de uma biorrefinaria enfrenta os desafios colocados pela construção industrial, heterogeneidade espacial da produção e composição da biomassa, o custo de coordenação da cadeia de fornecimento e o ambiente regulatório. O objetivo do estudo é explorar os mecanismos que levam as biorrefinarias a selecionarem determinado tipo de estrutura de governança para o fornecimento de biomassa lignocelulósica, a partir da aplicação do método Modelo Baseado em Agente Principal. Com início na compreensão da evolução do ambiente regulatório/institucional brasileiro de etanol, exploração dos conceitos e agentes envolvidos na produção de etanol de segunda geração e a compreensão dos contratos de fornecimento já praticados no setor sucroenergético. O desenvolvimento do estudo é fundamentado nas premissas do modelo baseado em agente principal para compreender regras de comportamento entre biorrefinaria e fornecedores. Os resultados a partir da Estrutura Conceitual do modelo de interação entre fornecedores e biorrefinaria evidenciam que o ambiente institucional do etanol de primeira geração no Brasil influencia na organização da cadeia de fornecimento da biomassa, pois o principal parâmetro de precificação é estabelecido institucionalmente entre os fornecedores e produtores. Assim, para produção de etanol de segunda geração, a estrutura de governança verticalizada seria a estratégia prioritária para minimização dos riscos na busca do retorno do investimento. Portanto, os stakeholders tendem a definir o nível otimizado de verticalização em função do fornecimento de matéria-prima produzida em terras próprias, necessário para atingir o ponto limiar de equilíbrio do investimento. Além desse limiar, a matéria-prima tem origem em terras arrendadas, e depois, em fornecedores terceirizados, como os acionistas e produtores independentes, e a busca de matéria-prima em mercado spot é uma exceção Abstract: From the increase in demand for renewable energy sources disseminated by the debate linked to the need for sustainable development of nations, justified by the fact that more and more non-renewable energy sources are in a state of scarcity, in addition to the environmental problems of greenhouse gas emissions. pollutants and economic problems of the need for nations to reduce their dependence on energy. The development of renewable energy alternatives at technical and organizational levels is essential to achieve the sustainable objectives determined by international agreements. In the specific case of Brazil, the production of biofuels derived from sugarcane is already a reality, however, it is noted that the production of sugarcane in Brazil has grown both in the advancement of the area and in productivity, but there are limits to the growth of your production. Thus, sugarcane biomass can be better used, from bagasse and straw, for the production of second generation ethanol (2G) and other products, by a biorefinery. However, the development of a biorefinery faces the challenges posed by industrial construction, spatial heterogeneity in the production and composition of biomass, the cost of coordinating the supply chain and the regulatory environment. The objective of the study is to explore the mechanisms that lead biorefineries to select a specific type of governance structure for the supply of lignocellulosic biomass, using the Principal Agent Based Model method. Starting with the understanding of the evolution of the Brazilian regulatory / institutional environment for ethanol, exploration of the concepts and agents involved in the production of second generation ethanol and the understanding of supply contracts already practiced in the sugar-energy sector. The development of the study is based on the premises of the main agent-based model to understand rules of behavior between biorefinery and suppliers. The results from the Conceptual Framework of the model of interaction between suppliers and biorefineries show that the institutional environment of first generation ethanol in Brazil influences the organization of the biomass supply chain, as the main pricing parameter is institutionally established between suppliers and producers. Thus, for the production of second generation ethanol, the verticalized governance structure would be the priority strategy for minimizing risks in the search for return on investment. Therefore, stakeholders tend to define the optimized level of verticalization according to the supply of raw material produced on their own land, necessary to reach the threshold of equilibrium for investment. In addition to this threshold, the raw material originates from leased land, and then from third-party suppliers, such as shareholders and independent producers, and the search for raw material in the spot market is an exception Mestrado Economia Agrícola e do Meio Ambiente Mestra em Desenvolvimento Econômico CAPES 88882.434889/2019-01

Orientador: Munir Salomão Skaf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química Resumo: As glicosil hidrolases (GH) são enzimas que exercem um papel importante na hidrólise de ligações glicosídicas de açúcares complexos como celulose, hemicelulose e amido, constituindo uma das famílias enzimáticas de maior importância na degradação destes polissacarídeos. Este processo de degradação é de particular interesse devido à sua associação com a produção de bioetanol a partir de bagaço de cana de açúcar e de biomassa lignocelulósica em geral. Assim, a caracterização funcional e estrutural das GHs é de grande valor para aplicações industriais. Com intuito de conhecer a dinâmica destas proteínas, o que não pode ser facilmente determinado por meios experimentais, empregamos neste estudo metodologias de dinâmica molecular (DM) para determinar as propriedades estruturais e dinâmicas básicas de duas enzimas representativas de uma nova família de GHs, aqui denominada GH-X. Os analises feitos mostram os principais fenômenos dinâmicos e estruturais assim como as principais interações enzima-substrato e sua relação com a eficiência catalítica desta nova família GH-X Abstract: Glycoside Hydrolases (GH) are enzymes that play important roles in the hydrolysis of glycosidic bonds during the degradation of lignocellulosic biomass. The structural characterization of these enzymes is considered highly valuable for the second-generation ethanol production due to their central role on cellulose and hemicellulose saccharification. The use of molecular dynamics techniques to study conformational changes, substrate binding and the properties of the substrate itself has been essential to enlighten the molecular mechanisms involved on the enzymatic activity that cannot be easily studied through experimental methodologies. In this work, we used molecular dynamics techniques to study two representative proteins of a new family of glycoside hydrolases (GH-X). From our analysis, we provide strong suggestions about the key interactions and structure-dynamics relationships underlying the differences experimentally observed on their catalytic efficiency Mestrado Físico-Química Mestre em Química CAPES 330030 FAPESP 20173/08293-7

Orientadores: Aline Carvalho da Costa, Sarita Cândida Rabelo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O uso de subprodutos do setor agrícola para o estabelecimento de uma biorrefinaria é uma alternativa promissora na transição da nossa sociedade para uma economia biobaseada. O bagaço da cana-de-açúcar é uma biomassa lignocelulósica que se destaca no cenário brasileiro devido ao seu volume de produção e pode vir a se transformado em etanol de segunda geração (E2G) por meio de três etapas, pré-tramento, hidrólise enzimática e fermentação. Neste trabalho, foi avaliado o processo de pré-tratamento com líquidos iônicos próticos (LIPs) ¿ que podem chegar a ser até 40 vezes mais baratos que os líquidos iônicos apróticos, mais comumente conhecidos ¿ para a produção de E2G. No estágio inicial do projeto, 12 LIPs foram produzidos e avaliados em um screening, no qual o acetato de monoetanolamônio, [MEA][OAc], foi escolhido para as etapas subsequentes dos estudos por apresentar grande potencial como agente de pré-tratamento. O pré-tratamento com este LIP passou por uma otimização de parâmetros operacionais considerando o tempo, temperatura, carga de sólidos, teor de água e tipo de anti-solvente como fatores do planejamento estatístico. As variáveis foram avaliadas para garantir a máxima conversão de carboidratos e deslignificação das polpas. Um estudo da razão ácido-base (RAB) do [MEA][OAc] mostrou que baixos valores de RAB (excesso de base) proporcionavam um rendimento quase quantitativo de celulose/hemicelulose em 72 h de hidrólise enzimática com até 84% de deslignificação, destacando-se como um dos melhores pré-tratamentos existentes para o bagaço de cana-de-açúcar. A RAB foi medida com sucesso antes e após os experimentos por espectroscopia de NMR-H1, um feito pioneiro deste trabalho. Em seguida, o reciclo do [MEA][OAc] foi avaliado ao longo de 6 ciclos de pré-tratamento. Foi observado que a diminuição no desempenho do LIP está fortemente correlacionada à sua decomposição em uma acetamida. Esse problema foi contornado com o uso de uma mistura com excesso da base, RAB 0,5, cujo reciclo, ao longo de 3 ciclos, mostrou que o desempenho do PIL ainda era consideravelmente alto, com baixa formação de acetamida. Em seguida, estabeleceram-se relações quantitativas entre a quantidade de água de lavagem das polpas e sua temperatura, com os rendimentos em sacarificação enzimática e fermentação alcoólica com S. passalidarum, uma levedura capaz de metabolizar xilose e glicose. Entre as amostras com lavagem parcial (de 13 a 66 g água/g biomassa), a lavagem realizada em temperatura mais alta, 80°C, e com a maior relação solvente:biomassa considerada, 66:1, proporcionou os maiores rendimentos na hidrólise enzimática, 81% e 64% para a celulose e hemicelulose, respectivamente, e na fermentação com 85% do rendimento teórico de etanol; enquanto que a lavagem completa (625 g água/g biomassa) obteve 98% e 85% de rendimento de celulose e hemicelulose, respectivamente, e 87% do rendimento teórico de etanol. Apesar de S. cerevisiae não consumir xilose, a fermentação da amostra de lavagem completa apresentou a maior produtividade de etanol, 1.41 g·L·h-1 com aproximadamente o mesmo rendimento teórico de etanol, 87%. Os balanços de massa para o processo completo de produção de E2G (via S. passalidarum) mostraram que até 228 e 300 L de etanol por tonelada de bagaço podem ser produzidos com 66 e 625 toneladas de água de lavagem/tonelada de bagaço, respectivamente, com o primeiro rendimento superior aos melhores pré-tratamentos encontrados no literatura, ou seja, peróxido de hidrogênio alcalino e hidróxido de sódio Abstract: Using by-products from the agricultural sector to establish a biorefinery is a promising alternative in our society's transition to a biobased economy. Sugarcane bagasse is a lignocellulosic biomass that stands out in the Brazilian scenario due to its production volume and can be converted into second generation ethanol (E2G) in three main steps, pretreatment, enzymatic hydrolysis. and fermentation. In this work, we evaluated the pretreatment process with protic ionic liquids (LIPs) ¿ which can be up to 40 times cheaper than the more commonly known aprotic ionic liquids ¿ for the production of E2G. In the initial stage of the project, 12 LIPs were produced and evaluated in a screening, in which monoethanolammonium acetate, [MEA][OAc], was chosen for the subsequent stages of the studies because due to its great potential as a pretreatment agent. [MEA][OAc] pretreatment has undergone an optimization of operating parameters considering time, temperature, solids loading, water content and anti-solvent type as factors of the experimental design. Such variables were evaluated to ensure maximum carbohydrate conversion and pulp delignification. A study of the acid-base ratio (ABR) of [MEA][OAc] showed that low ABR values provided an almost quantitative yield of cellulose/hemicellulose within 72 h of enzymatic hydrolysis with up to 84% delignification, standing out as one of the best pretreatments available for sugarcane bagasse. The ABR was successfully measured before and after the experiments by NMR-H1 spectroscopy, a pioneering achievement of this work. Thereafter, [MEA][OAc] recycle was assessed over 6 pretreatment cycles. It was observed that the decrease in LIP performance is strongly correlated to its decomposition into an acetamide. This problem was solved by using an excess base mixture, ABR 0.5, which was recycled over 3 cycles and showed that PIL performance was still considerably high with low acetamide formation. Then, quantitative relationships were established between the amount of washing water and its temperature, with the enzymatic saccharification and alcoholic fermentation yields with S. passalidarum, a yeast capable of metabolizing xylose and glucose. Among the partial wash samples (from 13 to 66 g water /g biomass), the wash performed at the highest temperature, 80 °C, and the highest solvent: biomass ratio considered, 66: 1, provided the highest hydrolysis yields. 81% and 64% for cellulose and hemicellulose, respectively, and for fermentation with 85% of the theoretical ethanol yield; while the complete wash (625 g water/ g biomass) yielded 98% and 85% yield of cellulose and hemicellulose, respectively, and 87% of the theoretical yield of ethanol. Although S. cerevisiae did not consume xylose, the fermentation of the complete wash sample had the highest ethanol yield, 1.41 g ·/L·h with approximately the same theoretical ethanol yield, 87%. Mass balances for the complete E2G production process (via S. passalidarum) showed that up to 228 and 300 L of ethanol per tonne of bagasse can be produced with 66 and 625 tonnes of wash water / tonne of bagasse respectively. with the first yield superior to the best pretreatments found in the literature, ie alkaline hydrogen peroxide and sodium hydroxide Doutorado Engenharia Química FAPESP 2015/14042-2 CNPQ CAPES 33003017034-P8

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 2020-12-12T01:09:20Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2020-08-01 Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) An easily prepared biosensor based on reduced graphene oxide (rGO) and glucose oxidase (GOx) enzyme was developed to monitor the enzymatic hydrolysis process of the second-generation (2G) ethanol process from green coconut biomass. The rGO-GOx biocomposite that modified a glassy carbon (GC) electrode was characterized by morphological, electrochemical and spectrophotometric techniques showing that the GOx enzyme was immobilized on the rGO. The parameters for glucose determination were optimized by square wave voltammetry (SWV). The developed biosensor was applied for the determination of glucose during the enzymatic hydrolysis step, showing that the process can be stopped with 12 h of reaction. Thus, an important achievement of this analysis is the reduced time to get a valuable result for the test, saving time and reducing the cost of the 2G ethanol process. School of Agriculture São Paulo State University (UNESP), Avenida Universitária, no 3780 School of Agriculture São Paulo State University (UNESP), Avenida Universitária, no 3780 FAPESP: 2017/03925-6 FAPESP: 2017/24274-3

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) The production process of 2nd generation ethanol (2G), using sugarcane bagasse, is a promising way to increase ethanol production without increasing the cultivation area. However, the process has been studied to become economically viable. This fact stems from several factors, among them: extraction of fermentative compounds from sugarcane bagasse, separation of enzymatic inhibitors and the great energy demand for the agitation of the mixture. In this process, sugarcane bagasse is used as a substrate, and must undergo the pretreatment process to expose the fibers and facilitate the hydrolysis of the cellulose into glucose. Although there are several ways of performing the hydrolysis of the pretreated bagasse, the enzymatic route reduces the amount of inhibitors produced by the traditional chemical routes, which adversely affect the fermentation process. On the other hand, the enzyme complex is expensive, thus increasing the cost of the process. Thus, the design of the reaction system and the definition of the process conditions must be analyzed to maximize the specific productivity of the enzyme. A non-conventional reactors system has been built in the Bioprocess Automation and Development Laboratory (LADaBio – UFSCar) to work around the issues discussed earlier. The reactionary system is complex and the attempt to use phenomenological models to describe it would make the problem intractable. Therefore, simplified kinetic models have been developed for this system. Due to the expected deviation between model and reaction, a monitoring system using spectroscopy in the near infrared and visible ultraviolet region, combined with the method of partial least squares and cross validation, was studied to monitor the reaction. Data from four assays performed were used to adjust mathematical models for predicting the concentrations of cellobiosis, glucose and xylose. As it is a complex system, it was concluded that the models generated were able to predict carbohydrate concentrations with great precision. O etanol de 2ª geração (2G), produzido a partir do bagaço de cana-de-açúcar, é uma maneira promissora de aumentar a produção de etanol sem aumentar a área de cultivo. No entanto, o processo vem sendo estudado para se tornar economicamente viável. Esse fato decorre de vários fatores, entre eles: extração de compostos fermentativos a partir do bagaço da cana, separação de inibidores enzimáticos e grande demanda de energia para a agitação da mistura. Nesse processo, o bagaço de cana é utilizado como substrato e deve ser submetido ao processo de pré-tratamento para expor as fibras e facilitar a hidrólise da celulose em glicose. Embora existam várias maneiras de realizar a hidrólise do bagaço pré-tratado, a rota enzimática reduz a quantidade de inibidores produzidos pelas rotas químicas tradicionais, que afetam adversamente o processo de fermentação. Por outro lado, o complexo enzimático é caro, logo aumenta o custo do processo. Assim, o projeto do sistema de reação e a definição das condições do processo devem ser analisados para maximizar a produtividade específica da enzima. Um sistema de reatores não convencional foi construído no Laboratório de Automação e Desenvolvimento de Bioprocessos (LADaBio – UFSCar) para contornar os problemas discutidos anteriormente. O sistema reacional é complexo e a tentativa de usar modelos fenomenológicos para descrevê-lo tornaria o problema intratável. Portanto, modelos cinéticos simplificados foram desenvolvidos para este sistema. Devido ao desvio esperado entre modelo e reação, um sistema de monitoramento utilizando a espectroscopia na região do infravermelho próximo e do ultravioleta visível, aliado ao método dos mínimos quadrados parciais e validação cruzada, foi estudado para monitorar a reação. Dados de quatro ensaios realizados foram utilizados para ajustar modelos matemáticos de predição das concentrações de celobiose, glicose e xilose. Por se tratar de um sistema complexo, concluiu-se que os modelos gerados foram capazes de predizer as concentrações dos carboidratos com uma ótima precisão. CNPq: 130253/2019-7 CAPES: Código de Financiamento 001 FAPESP: 2016/10636-8

Orientador: Gonçalo Amarante Guimarães Pereira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: A obtenção de combustíveis renováveis como o etanol é altamente desejável tendo em vista a redução da emissão de gases promotores do efeito estufa na atmosfera. O etanol pode ser produzido pelo processo de primeira (1G) e segunda geração (2G). Apesar das vantagens da produção 2G, esta é ainda considerada onerosa, principalmente devido a etapa de sacarificação que requer uma alta dosagem de enzimas para a conversão dos polímeros que constituem a biomassa em açúcares fermentescíveis. Além dos custos inerentes a? produção dessas enzimas, a logística e a estabilização também contribuem para o alto valor dispensado nessa etapa. Por conseguinte, o incremento da atividade de celulases, hemicelulases e atividades acessórias produzidas por microrganismos é altamente desejável. Nesse sentido, o fungo filamentoso Penicillium oxalicum, devido ao seu amplo espectro de CAZymes (enzimas relacionadas com a degradação de polissacarídeos) secretadas em determinadas condições de cultivo, emerge como uma alternativa promissora para produção dessas enzimas. Diante do exposto acima, o trabalho objetivou otimizar a produção de enzimas relacionadas à desconstrução da biomassa por uma linhagem selvagem de P. oxalicum adotando fontes alternativas de carbono e nitrogênio e a obtenção de linhagens com maior atividade de CAZymes por meio de mutagênese aleatória. A adoção da metodologia experimental design of experiments (DOE) permitiu observar os efeitos de diversas variáveis do meio de cultivo na produção de enzimas por P. oxalicum. Dentre elas, a concentração da fonte de nitrogênio (peptona) e a agitação tiveram efeito significativo na atividade em papel de filtro (FPase, U/mL) e o máximo de atividade foi obtido nas seguintes condições: peptona, 0,72 g/L e agitação, 180 rpm. Posteriormente, a fim de reduzir os custos inerentes a fontes de nitrogênio empregada para o cultivo do micro-organismo, a peptona foi total ou parcialmente substituída por farelo de soja ou casca de soja, o que não afetou os títulos de FPAse, mas impactou os custos do processo. Este foi o primeiro estudo a explorar a cana energia como substrato para promover a produção de CAZymes por linhagens fúngicas, o que contribui para o aumento do espectro de biomassas empregadas para essa finalidade. As metodologias de mutagênese física (luz UV) e química com o reagente etil metano sulfanato (EMS) também foram adotadas no presente estudo para propiciar o aumento da atividade de CAZymes produzidas por P. oxalicum. Nesse sentido, o mutante EMS19, obtido após duas rodadas de mutagênese, apresentou um aumento de 100 % na atividade de FPAse e secretou 50 % mais proteínas quando cultivado em meio contendo uma mistura de avicel e xilana como fonte de carbono. A atividade de hemicelulases e ß-glucanases, principalmente, também foi pronunciada em EMS19 quando comparada à linhagem parental (WT). A comparação dos secretomas de WT e EMS19 auxiliou na compreensão sobre CAZymes importantes na degradação das biomassas lignocelulósica no fungo mutante que impactam a atividade enzimática do mesmo Abstract: Obtaining renewable fuels such as ethanol is highly desirable to reduce the emission of greenhouse gases into the atmosphere. Ethanol can be produced by the first (1G) and second generation (2G) technologies. Despite the advantages of 2G production, this is still considered costly, mainly due to the saccharification stage which requires a high dosage of enzymes for the conversion of biomass polymers into fermentable sugars. In addition to the costs inherent to the production of these enzymes, the logistics and stabilization also contribute to the high value dispensed at this stage. Therefore, the increase in enzymatic activities of cellulases, hemicellulases and accessory activities produced by microrganisms is highly desirable. By this way, the filamentous fungus Penicillium oxalicum, due to its wide spectrum of CAZymes (enzymes related to the breakdown of polysaccharides) secreted under certain growth conditions, emerges as a promising alternative for the production of these enzymes. According to that describe above, the aim of this work aim was to optimize the production of enzymes related to the deconstruction of biomass by a wild-type strain of P. oxalicum by adopting alternative sources of carbon and nitrogen and obtain lineages with improved enzyme-activity properties by applying random mutagenesis methodologies. The adoption of the design of experiments (DOE) allowed to observe the effects of some culture medium variables in the production of enzymes by P. oxalicum. Among them, the concentration of the nitrogen source (peptone) and agitation had a significant effect on filter paper activity (FPase, U/mL) and the maximum activity was reached in the following conditions: peptone, 0.72 g/L and agitation, 180 rpm. Subsequently, in order to reduce the costs inherent to nitrogen sources, peptone was totally or partially replaced by soybean meal or soybean hulls, which did not affect the FPAse titles, but impact the process costs. This is the first study to explore energy cane as a carbon source to promote the production of CAZymes by fungi strains, what contributes to the spectrum of biomass to be applied in the field of biomass deconstruction. The random mutagenesis strategies such as physical (UV light) and chemical (EMS) mutagenesis was also adopted in this study to obtain P. oxalicum lineages with improved CAZymes activities. The mutant EMS19, obtained after two rounds of mutagenesis, resulted in 100% more FPAse activity and secreted 50% more proteins when grown in avicel and xylan as carbon sources. The xylanases and ß-glucanases activities were also found improved in EMS 19 compared to parental strain (WT). The secretomes comparison of WT and EMS19 secretome allowed to understand the pivotal CAZymes for lignocellulosic degradation in EMS19, which affected the enzymatic activity displayed by this fungus Mestrado Genética de Microorganismos Mestra em Genética e Biologia Molecular FAPESP 2017/12546-9 CAPES 001

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Sarita Candida Rabelo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: A fermentabilidade do hidrolisado hemicelulósico apresenta inúmeros desafios tecnológicos em termos de rendimento, principalmente devido a complexidade estrutural dos compostos inibidores que o constituem. Este trabalho tem como objetivo investigar o processo de destoxificação do hidrolisado hemicelulósico, obtido após o pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído do bagaço de cana-de-açúcar, visando a extração dos ácidos orgânicos, aldeídos furânicos e compostos fenólicos que são sub-produtos formados durante o processo, além da avaliação da fermentabilidade dos meios não destoxificados e destoxificados pelo cultivo das leveduras S. stipitis e S. passalidarum. Adicionalmente, uma caracterização sistemática dos compostos presentes nas frações orgânicas e aquosas foi realizado. A destoxificação abordou uma etapa de evaporação, seguida de extração líquido-líquido, utilizando, para verificação da eficiência, separadamente quatorze solventes entre álcoois, cetonas, ésteres e dois tipos de biodiesel. A evaporação, sob pH 1,7, resultou na remoção de 16,0 ± 0,8 % ácido fórmico, 65,0 ± 1,0 % ácido acético, 13,0 ± 0,5 % HMF, 98,0 ± 0,9 % furfural e 34 ± 0,77 % compostos fenólicos sem arrastes expressivos de carboidratos para o destilado. Os álcoois apresentaram as melhores eficiências de extrações dos inibidores. Em contrapartida, inibiram o crescimento celular tanto para S. stipitis como para S. passalidarum, com acúmulo de 70,9 ± 1,70 % e 56,0 ± 2,27 % de açúcares redutores residuais para o butanol, respectivamente. Os solventes MIBK, MTBE e DIBK resultaram em incrementos de produtividade na faixa de 85 % a 90 % para S. stipitis e em torno de 34 % em relação ao hidrolisado evaporado para S. passalidarum. Os compostos fenólicos extraídos nas frações orgânicas apresentaram baixa massa molar, máximo de Mw de 725 g/mol e estruturas correspondentes a p-cumaratos e ferulatos. O hidrolisado evaporado apresentou concentrações majoritárias de ácido 4-hidroxicinâmico (0,5 g/L), 4-hidroxiacetofenona (0,3 g/L) e 4- hidroxibenzaldeído (0,2 g/L). O processo por destoxificação por MIBK foi o selecionado e resultou na remoção de 36 % dos compostos presentes (detectado por UPLC-MSMS), sendo majoritariamente constituídos por fragmentos de massa molar até 400 g/mol. O MIBK extraiu do hidrolisado evaporado todos os padrões avaliados, exceto os ácidos ferúlico e trans-ferúlico, com concentrações residuais de 0,01 g/L. A avaliação preliminar dos impactos das estruturas dos inibidores frente ao desempenho fermentativo indicou ação sinérgica de unidades ferulato com ácido acético em concentrações acima de 2 g/L, resultando em inibição fermentativa para ambas as leveduras estudadas Abstract: The hemicellulosic hydrolysate fermentability still present innumerous technological challenges in terms of yield, mainly due structural complexity of inhibitory compounds. The objective of this work was to study the detoxification process of the hemicellulosic hydrolysate, obtained after dilute sulfuric acid pre-treatment of sugarcane bagasse, aiming the extraction of organic acids, furanic aldehydes and phenolic compounds, besides fermentability of the non-detoxified and detoxified hydrolysate evaluation by S. stipitis and S. passalidarum in shaker and laboratory biorreactor. In addition, a systematic characterization of the phenolic compounds from organic and water fractions were carried out. The detoxification addressed an evaporation step, followed by liquid-liquid extraction, using fourteen solvents as alcohols, ketones, ethers and biodiesel. Evaporation, under pH 1,7 resulted in 16.0 ± 0.8 % formic acid, 65.0 ± 1.0 % acetic acid, and 13.0 ± 0.5 % HMF, 98.0 ± 0.9 % of furfural and 34.0 ± 0.77 % of the phenolic content removals, without expressive carbohydrate loss for the distillate. The highest inhibitors efficiency extractions were achieved for alcohols. In contrast, these solvents resulted in cell growth inhibition both S. stipitis and S. passalidarum, with accumulation of 70.9 ± 1.70 % and 56.0 ± 2.27 % of residual reducing sugars in 48 hours of fermentation, for butanol. MIBK, MTBE and DIBK resulted in improvements in ethanol volumetric productivity in the range of 85-90 % for S. stipitis and around 34% in relation to the evaporated hydrolysate for S. passalidarum. The extracted compounds showed low molar mass, with a maximum value of Mw of 725 g /mol and typical signals from p-coumarates and ferulates structures. The evaporated hydrolysate presented majority concentrations of 4-hydroxycinnamic acid (0.5 g/L), 4-hydroxyacetophenone (0.3 g/L) and 4-hydroxybenzaldehyde (0.2 g/L). MIBK was the selected solvent and resulted in 36 % of compounds removal (detected from UPLC-MSMS), with the majority under 400 g/mol. MIBK extracted from hydrolysate all evaluated standards, excepted for ferulic and trans-ferulic acids, with 0,01g/L of residual concentrations. The preliminary assessment of inhibitors structures and fermentative performance pointed a sinergic relation of ferrulates and acetic acid (above 2 g/L), resulting in both yeasts inhibition Doutorado Engenharia Química Doutora em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, John Alexander Posada Duque Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química, e Delft University of Technology Resumo: Etanol 2G, ou celulósico, pode ser produzido por rotas bioquímicas, termoquímicas, ou por uma terceira opção que combina aspectos das outras duas, comumente chamada de rota termo-bioquímica, ou rota híbrida. Esta última é o foco desta tese, que a explora por meio de modelagem, simulações, otimização (multi-objetivo), e outras estratégias aplicadas de forma a determinar quais escolhas e condições de processo levam ao melhor resultado em termos de sustentabilidade. Enquanto o processo termoquímico de gaseificação permite a conversão quase completa da biomassa sem a necessidade de etapas complexas e caras de pré-tratamento e hidrólise, a subsequente conversão biológica (fermentação) do syngas pode oferecer algumas vantagens quanto comparada à tradicional conversão catalítica, e.g. maior flexibilidade na proporção H2:CO e maior tolerância a contaminantes presentes no gás. Embora alguns desafios ainda atrapalhem a competitividade do processo de fermentação do syngas, como a baixa produtividade em comparação à fermentação heterotrófica, escolhas inteligentes de integração, condições de processo e parâmetros de projeto podem melhorar significativamente o seu desempenho. O objetivo principal desta tese é determinar os parâmetros de projeto e condições de processo que levam ao melhor desempenho com relação a aspectos simultâneos e comumente conflitantes ligados a sustentabilidade, i.e. lucro, impacto ambiental (especificamente, pegada de carbono) e eficiência energética. Para isso o processo foi estudado como um todo e também individualmente para suas unidades principais. Os objetivos específicos incluíram o design do processo, a construção de modelos matemáticos e simulações computacionais, a avaliação de alternativas para recuperação de energia, análise de impactos, o desenvolvimento de uma framework para otimização multi-objetivo de sustentabilidade, e a implementação de estratégias para reduzir a complexidade dos problemas de otimização. Após começar esta pesquisa com uma visão do processo como um todo (Capítulo 2), e depois concentrar nossos esforços no desenvolvimento de modelos para uma de suas unidades específicas (Capítulos 3 e 4), bem como no desenvolvimento de estratégias para a otimização de sustentabilidade (demonstrada no Capítulo 4 para um sub-sistema do processo), no Capítulo 5 nós voltamos novamente a uma visão do todo, agora equipados com as ferramentas desenvolvidas nos capítulos anteriores. No Capítulo 5, o sub-sistema consistindo no biorreator e etapas downstream é integrado à framework de otimização do processo completo a partir de resíduos de biomassa até etanol. Para esse trabalho um novo modelo foi desenvolvido para o gaseificador indireto, sendo este detalhado no Capítulo 5. Os modelos referentes às diferentes unidades foram combinados em uma framework contendo os cálculos de parâmetros econômicos, consumo de energia (calor e eletricidade), emissões de CO2 equivalente, consumo de água e outros indicadores de desempenho relacionados a sustentabilidade, que são recalculados a cada mudança nas variáveis de entrada. São discutidos os efeitos dessas variáveis nos resultados globais assim como suas interações e correlações entre respostas de categorias distintas. Por fim, o sistema foi otimizado com relação a três objetivos simultâneos: preço mínimo de venda (MESP), eficiência energética e pegada de carbono. Os trade-offs ótimos foram discutidos para dois casos (bagaço de cana e resíduos de madeira), junto com uma análise a respeito das tendências observadas para as variáveis de decisão nas soluções Pareto-ótimas, e uma discussão sobre as incertezas nos resultados. De acordo com os resultados, as principais variáveis que definem os trade-offs são a temperatura no leito de gaseificação, a fração de biomassa adicionada ao leito de combustão do gaseificador, e a razão entre a vazão volumétrica de syngas fresco na entrada do biorreator e o volume de líquido no mesmo Abstract: 2G or cellulosic ethanol can be produced via biochemical pathways, thermochemical pathways, or a third option that combines aspects of the other two, commonly called the thermo-biochemical, or hybrid, pathway. The latter is the focus of this thesis, which explores this pathway via process modeling, simulations, (multi-objective) optimization, and other strategies applied in order to determine which process choices and conditions lead to the best performance in terms of main sustainability aspects. While the thermochemical process of gasification enables the nearly full conversion of biomass without the need for complex and expensive stages of pretreatment and hydrolysis, the subsequent biological conversion (fermentation) of syngas might offer several advantages when compared to the traditional catalytic conversion, e.g. higher flexibility of H2:CO ratios and tolerance to gas contaminants. Although certain challenges may drawback the commercial competitiveness of syngas fermentation, such as the low productivity when compared to heterotrophic fermentation, intelligent choices of process integration and design parameters could substantially enhance the performance of the process. The main goal of this thesis is to find out which design parameters and process conditions lead to the best performance in terms of simultaneous and often conflicting aspects related to sustainability, i.e. profitability, environmental impact (specifically, carbon footprint) and energy efficiency. For this the process had to be investigated as a whole and also individually for its main units. The specific goals included the process design, the construction of mathematical models and simulations, the evaluation of alternatives for energy recovery, impact analysis, the development of a multi-objective sustainability optimization framework, and the implementation of strategies to reduce the complexity of the optimization problems. After starting this research with a view of the whole process (Chapter 2), then concentrating our efforts towards the development of models for one of its units (Chapters 3 and 4), and on the development of strategies for sustainability optimization (demonstrated in Chapter 4 for a sub-system of the process), Chapter 5 zooms out again to a view of the whole, now equipped with the tools developed in the previous chapters. In Chapter 5, the sub-system comprising the bioreactor and downstream stages is integrated into a framework for optimization of the whole process from biomass residues to ethanol. For this work a new model was also developed for the indirectly-heated gasifier. The models of different units were combined in one framework with embedded calculations of economic parameters, heat and power consumption and production, CO2 equivalent emissions, water consumption and other performance indicators that are re-calculated as the input variables are changed. We discuss the effects of these variables on the global outcomes as well as their interactions and correlations between responses of different categories. Finally, the system was optimized with respect to three simultaneous objectives: minimum ethanol selling price, energy efficiency and carbon footprint. The optimal trade-offs were discussed for two cases (sugarcane bagasse and wood residues), along with an analysis about the trends of the decision variables at the Pareto-optimal solutions and an estimation of uncertainties Doutorado Engenharia Química Doutora em Engenharia Química