Дисертації з теми "Second generation biomass"

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
A produção de etanol de segunda geração apresenta grande potencial para ser uma realidade sustentável, especialmente no Brasil que prossui grandes quantidades de bagaço de cana-de-açúcar. Os maiores obstáculos deste processo são os pré- tratamentos e a hidrólise da biomassa, principalmente esta última etapa visto que as enzimas ainda apresentam custos muito elevados. Assim, esforços têm se concentrado em tornar o processo mais econômico com a descoberta de enzimas mais efetivas. Novas fontes de enzimas são continuamente encontradas e várias estratégias de prospecção e produção enzimática têm sido estudadas. Uma estratégia bastante utilizada na busca por novas enzimas e/ou enzimas mais eficientes é a análise de genômica comparativa de diferentes micro-organismos que permite a seleção de vários candidatos de interesse num curto período de tempo. Além disso, as enzimas podem ser produzidas por fungos quando estes são crescidos em biomassas que apresentam baixo custo e alta disponibilidade. Este trabalho foi dividido em cinco capítulos sendo que o primeiro consiste de uma revisão atual sobre a produção de etanol de segunda geração focada na etapa de sacarificação enzimática. Várias estratégias de prospecção e produção enzimáticas foram discutidas e detalhadas. No segundo capítulo, a sacarificação de bagaço de cana-de-açúcar após pré-tratamentos ácido e alcalino foi comparada usando o extrato enzimático do fungo fitopatógeno Chrysoporthe cubensis e três coquetéis comerciais. Para o bagaço de cana utilizado neste estudo, o pré-tratamento alcalino promoveu os melhores rendimentos de sacarificação sendo o extrato do fungo C. Cubensis o responsável pela maior liberação de glicose e xilose quando comparado às misturas enzimáticas comerciais. Além disso, o extrato de C. cubensis produziu maiores valores de atividade específica comparados aos dos coquetéis comerciais. No terceiro capítulo, o potencial genômico de fungos candidatos foi avaliado e as enzimas mais interessantes para a hidrólise de bagaço de cana-de-açúcar foram expressas em Aspergillus vadensis. Nove enzimas de três fungos diferentes, Aspergillus terreus, Nectria haematoccoca e Phaeosphaeria nodorum, foram viiclonadas e expressas por sistema heterólogo e representam uma nova possiblidade para a melhor degradação do bagaço de cana. Dentre estas enzimas, quatro - xilosidases foram bioquimicamente caracterizadas e apresentaram atividade máxima em valores de pH 4,5-5,0 e em temperaturas 55-60°C. No quarto capítulo, duas xilanases de Aspergillus nidulans previamente clonadas em Pichia pastoris, aqui denominadas Xyn1818 e Xyn3613, foram expressas, purificadas e caracterizadas. Xyn1818 apresentou ótima atividade em pH 7.5 e à 60°C enquanto Xyn3613 alcançou máxima atividade em pH 6.0 e à 50°C. Xyn1818 apresentou-se bastante termoestável à 50°C mantendo 50% de sua atividade original após 49 horas de incubação nesta temperatura. Xyn1818 apresentou maior atividade contra arabinoxilana de trigo enquanto o melhor substrato para Xyn3613 foi xilana beechwood. Testes de sacarificação mostraram que os coquetéis comerciais liberaram mais açúcares (glicose e xilose) quando suplementados com as xilanases Xyn1818 e Xyn3613 de A. nidulans. Finalmente, no quinto capítulo, os fungos Aspergillus niger e Trichoderma reesei foram avaliados quanto à produção de enzimas após crescimento em do e bagaço de cana-de-açúcar. Os fungos produziram diferentes tipos de enzimas (hemi)celulolíticas, o que foi refletido pelo forte efeito sinergístico na liberação de açúcares durante a sacarificação dos substratos utilizando o conjunto de enzimas dos dois microorganismos. Foi constatado que a remoção de monossacarídeos do meio de produção de enzimas é muito importante quando combinações de enzimas de T. reesei and A. niger são utilizadas para aprimorar a hidrólise de biomassas.
Second generation ethanol production has great potential to be a sustainable reality, especially in Brazil due to the large amount of available sugarcane bagasse. Pretreatment methods and biomass hydrolysis continue to be the bottlenecks of the overall process, mainly this second step since the enzymes present high costs. Therefore, efforts have been taken to make the process more cost-effective with regards to the discovery of more effective enzymes. New sources of enzymes are continuously encountered and several strategies of enzyme prospection and production have been studied. One strategy used in the search for new and/or more efficient enzymes is comparative genomic analysis of different microorganisms which allows for the screening of several candidates of interest in a short period of time. Moreover, plant-degrading enzymes can be produced by fungi grown on abundantly available low-cost plant biomass. This work was divided in five chapters being the first chapter a current review about second generation ethanol production focused mainly on the saccharification step. Several strategies of enzyme prospection and production were discussed and detailed. In the second chapter, saccharification of acid- and alkali-pretreated sugarcane bagasse was compared using the enzymatic extract from the pathogen fungus Chrysoporthe cubensis and three commercial enzymatic mixtures. For the sugarcane bagasse studied in this work, the alkaline pretreatment promoted the best saccharification yields, where the C. cubensis extract was responsible for the higher release of glucose and xylose when compared to the commercial enzymatic mixtures Furthermore, the C. cubensis extract was able to produce high specific enzyme activities when compared to the commercial cocktails. In the third chapter, the genomic potential of the candidate fungi was evaluated and the most interesting enzymes for sugarcane bagasse hydrolysis were expressed in Aspergillus vadensis. Nine enzymes from three different fungi, Aspergillus terreus, Nectria haematoccoca and Phaeosphaeria nodorum, were successfully cloned and expressed by heterologous system and these enzymes represent a possibility for a better degradation of sugarcane bagasse. -xylosidases were biochemicallycharacterized and showed maxima activity in the pH range 4.5-5.0 and at temperatures of 55-60°C. In the fourth chapter, two xylanases from Aspergillus nidulans previously cloned in Pichia pastoris, here nominated as Xyn1818 and Xyn3613, were expressed, purified and characterized. The optima pH and temperature for Xyn1818 were 7.5 and 60°C while Xyn3613 achieved maximal activity at pH 6.0 and 50°C. Xyn1818 showed to be very thermostable, maintaining 50% of its original activity after 49 hours when incubated at 50°C. Xyn1818 presented higher activity against wheat arabinoxylan while Xyn3613 had the best activity against xylan from beechwood. Saccharification results showed that the commercial enzymatic cocktails were able to release more sugars (glucose and xylose) after supplementation with the xylanases Xyn1818 and Xyn3613 from A. nidulans. Finally, in the fifth chapter, Aspergillus niger and Trichoderma reesei were substrates: wheat straw and sugarcane bagasse. The fungi produced different sets of (hemi-)cellulolytic enzymes which was reflected in an overall strong synergistic effect in releasing sugars during saccharification using the enzyme blends from both fungi. It was observed that removing monosaccharides from the enzyme production media is very important when T. reesei and A. niger enzyme blends are combined to improve plant biomass saccharification.

Bioenergy will play an important role in reaching the EU targets for renewable energy. Sweden, with abundant forest resources and a well-established forest industry, has a key position regarding modern biomass use. Biomass gasification (BMG) offers several advantages compared to biomass combustion-based processes, the most prominent being the possibility for downstream conversion to motor fuels (biofuels), and the potential for higher electrical efficiency if used for electricity generation in a biomass integrated gasification combined cycle (BIGCC). BMG-based processes in general have a considerable surplus of heat, which facilitates integration with district heating or industrial processes. In this thesis integration of large-scale BMG, for biofuel or electricity production, with other parts of the energy system is analysed. Focus is on forest-based biomass, with the analysis including techno-economic aspects as well as considerations regarding effects on global fossil CO2 emissions. The analysis has been done using two approaches – bottom-up with detailed case studies of BMG integrated with local systems, and top-down with BMG studied on a European scale. The results show that BMG-based biofuel or electricity production can constitute economically interesting alternatives for integration with district heating or pulp and paper production. However, due to uncertainties concerning future energy market conditions and due to the large capital commitment of investment in BMG technology, forceful economic support policies will be needed if BMG is a desired route for the future energy system, unless oil and electricity prices are high enough to provide sufficient incentives for BMG-based biofuel or electricity production. While BMG-based biofuel production could make integration with either district heating or pulp and paper production economically attractive, BIGCC shows considerably more promise if integrated with pulp and paper production than with district heating. Bioenergy use is often considered CO2-neutral, because uptake in growing plants is assumed to fully balance the CO2 released when the biomass is combusted. As one of the alternatives in this thesis, biomass is viewed as limited. This means that increased use of bioenergy in one part of the energy system limits the amount of biomass available for other applications, thus increasing the CO2 emissions for those applications. The results show that when such marginal effects of increased biomass use are acknowledged, the CO2 mitigation potential for BMG-based biofuel production becomes highly uncertain. In fact, most of the BMG-based biofuel cases studied in this thesis would lead to an increase rather than the desired decrease of global CO2 emissions, when considering biomass as limited.
Bioenergi spelar en viktig roll för att nå EU:s mål för förnybar energi. Sverige har med sina goda skogstillgångar och sin väletablerade skogsindustri en nyckelposition vad gäller modern bioenergianvändning. Förgasning av biomassa har flera fördelar jämfört med förbränningsbaserade processer - i synnerhet möjligheten att konvertera lågvärdiga råvaror till exempelvis fordonsdrivmedel. Används gasen istället för elproduktion kan en högre verkningsgrad nås om gasen används i en kombicykel, jämfört med i en konventionell ångturbincykel. De förgasningsbaserade processerna har i allmänhet ett betydande överskott av värme, vilket möjliggör integrering med fjärrvärmesystem eller industriella processer. I denna avhandling analyseras integrering av storskalig biomassaförgasning för drivmedelseller elproduktion, med andra delar av energisystemet. Skogsbaserad biomassa är i fokus och analysen behandlar såväl teknoekonomiska aspekter, som effekter på globala fossila CO2-utsläpp. Forskningen har gjorts på två olika systemnivåer - dels i form av detaljerade fallstudier av biomassaförgasning integrerat med lokala svenska system, dels i form av systemstudier på europeisk nivå. Resultaten visar att förgasningsbaserad biodrivmedels- eller elproduktion kan komma att utgöra ekonomiskt intressanta alternativ för integrering med fjärrvärme eller massa- och papperstillverkning. På grund av osäkerheter i fråga om framtida energimarknadsförhållanden och på grund av de höga kapitalkostnaderna som investering i förgasningsanläggningar innebär, kommer kraftfulla ekonomiska styrmedel krävas om biomassaförgasning är en önskad utvecklingsväg för framtidens energisystem, såvida inte olje- och elpriserna är höga nog att i sig skapa tillräckliga incitament. Medan förgasningsbaserad drivmedelsproduktion kan vara ekonomiskt attraktivt att integrera med såväl fjärrvärme som med massa- och papperstillverkning, framstår förgasningsbaserad elproduktion som betydligt mer lovande vid integrering med massa- och papperstillverkning. Användning av bioenergi anses ofta vara CO2-neutralt, eftersom upptaget av CO2 i växande biomassa antas balansera den CO2 som frigörs när biomassan förbränns. Som ett av alternativen i denna avhandling ses biomassa som begränsad, vilket innebär att ökad användning av bioenergi i en del av energisystemet begränsar den tillgängliga mängden biomassa för andra användare, vilket leder till ökade CO2-utsläpp för dessa. Resultaten visar att när hänsyn tas till denna typ av marginella effekter av ökad biomassaanvändning, blir potentialen för minskade globala CO2-utsläpp med hjälp av förgasningsbaserade tillämpningar mycket osäker. I själva verket skulle de flesta av de förgasningsbaserade drivmedel som studerats i denna avhandling leda till en utsläppsökning, snarare än den önskade minskningen.

La produzione di energia a partire da biomassa rappresenta una delle importanti alternative all’utilizzo di combustibili fossili, al fine di ridurne il consumo globale e di limitare le emissioni di gas a effetto serra. In questo contesto il processo Biofine si classifica come una delle emergenti tecnologie per la produzione di acido levulinico a partire da biomassa lignocellulosica di seconda generazione. L’acido levulinico può essere successivamente idrogenato a γ-valerolactone, a sua volta alla base di processi di produzione di biocombustibili. Tuttavia, recenti studi hanno rivelato un aumento del numero di incidenti rilevanti nella catena di produzione di bioenergia maggiore del trend di produzione di energia stessa. Ciò, quindi, rende necessarie procedure di valutazione del rischio anche per questo tipo di impianti. Al fine di effettuare la valutazione del rischio dei due processi oggetto di studio, è stata adottata la metodologia ARAMIS, la quale si basa principalmente sulla costruzione di diagrammi bow-tie per l’identificazione dei Major Accident Hazards, e matrici del rischio, per l’identificazione dei Relevant Accident Scenarios. L’innovazione portata da questo studio riguarda la quantificazione delle consequenze, resa possibile attraverso il calcolo di distanze di danno, che permette di identificare scenari incidentali più realistici di quelli altrimenti previsti dalla ARAMIS.

Renewable energy sources have been proposed as a viable option to mitigate the consumption and the dependence of fossil fuels. Among the available alternatives, lignocellulosic biomass has shown great potential for bioenergy generation, and biofuels as ethanol can be obtained by fermentation from sugars present in cellulosic and hemicellulosic fractions of biomass. However, for the efficient release of fermentable sugars during the enzymatic hydrolysis step, a pretreatment process is required to modify the material in its structure and composition. In this context, hydrodynamic cavitation (HC) was proposed in this work as a new and promising alternative for pretreatment of sugarcane bagasse. Firstly, the variables NaOH concentration, solid/liquid (S/L) ratio and HC process time were optimized in HC assisted pretreatment. In optimized conditions (0.48 mol/L of NaOH, 4.27% of S/L ratio and 44.48 min), high lignin removal (60.4%) and enzymatic digestibility of cellulose fraction (97.2%) were obtained. Based in those results, new variables (inlet pressure, temperature, alkali concentration) were included for evaluation in a second stage of the study aiming to reduce the HC pretreatment time. In this case, temperature and álcali concentration showed more significance on lignin removal and hydrolysis yield of carbohydrate fraction in pretreated biomass. No significant difference in pretreatment efficiency was observed in 20 and 30 min of process time in the best conditions (70 °C, 3 bar of inlet pressure and 0.3 mol/L of NaOH). The dimensionless cavitation number influence also was evaluated in two levels (0.017 and 0.048), resulting higher efficiency using low cavitation number which was obtained using orifice plate with 16 holes (1 mm of diameter). Using the last optimized conditions and lower temperature (60 °C instead 70 °C) in order to avoid the foam formation when black liquor is reused, other alkalis (Ca(OH)2, Na2CO3, KOH) were evaluated in combination with HC and compared to the use of NaOH. High enzymatic conversions of carbohydrate fraction were observed in biomass pretreated using KOH-HC and NaOH-HC; additionally, NaOH black liquor was reused in 10 sequential batches. The pretreated biomass using fresh and reused black liquor were mixed and used for simultaneous saccharification and fermentation process (SSF) in interconnected column reactors, resulting in 62.33% of hydrolysis of total carbohydrate fractions and 17.26 g/L of ethanol production (0.48 g of ethanol/g of glucose and xylose consumed). Finally, the addition of oxidant agent (H2O2) in the alkali HC-process was optimized. In selected conditions (0.29 mol/L of NaOH, 0.78 % v/v of H2O2 and 9.8 min), 95,43% and 81.34% of enzymatic hydrolysis yield of cellulose and hemicellulose fraction were achieved respectively, using 5% of solid loading (S/L) in the hydrolysis process. When packed bed flow-through column reactor using 20% of S/L was used, 74.7% cellulose hydrolysis yield was reached. Sugars present in hydrolysate were also fermented into ethanol in bubble column reactor resulting in a yield value of 0.49 g/g and 0.68 g/L.h of productivity. By analyzing the results as a whole, HC was shown as a promising technology to accelerate the pretreatment time under mild conditions, showing advantages as simplicity of system and possibility to application in industrial scale.
O uso de fontes de energia renováveis tem sido proposto como uma alternativa viável para reduzir o consumo e a dependência de combustíveis fósseis. Entre as alternativas disponíveis, a biomassa lignocelulósica apresenta grande potencial para geração de bioenergia, sendo que biocombustíveis como o etanol podem ser obtidos por fermentação a partir de açúcares presentes em suas frações celulósicas e hemicelulósicas. No entanto, para a liberação eficiente de açúcares fermentáveis na etapa de hidrólise enzimática, é necessário um processo prévio de pré-tratamento para modificar a estrutura e composição do material. Neste contexto, no presente trabalho a cavitação hidrodinâmica (CH) foi proposta como uma nova e promissora alternativa para o pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar. Em uma primeira etapa, as variáveis concentração de NaOH, relação sólido/líquido (S/L) e tempo de processo foram otimizadas no pré-tratamento assistido por CH. Em condições otimizadas (0,48 mol/L de NaOH, 4,27% de relação S/L e 44,48 min), elevados valores de remoção de lignina (60,4%) e digestibilidade enzimática da fração de celulose (97,2%) foram obtidos. Com base nesses resultados, novas variáveis (pressão à montante, temperatura e concentração de álcali) foram incluídas para avaliação em uma segunda etapa do estudo com o objetivo de reduzir o tempo de pré-tratamento com CH. Neste caso, a temperatura e a concentração de álcalis foram as mais importantes na remoção de lignina e influenciaram na hidrólise das frações carboidrato da biomassa pré-tratada. Não houve diferença significativa na eficiência do pré-tratamento em 20 e 30 minutos de tempo de processo nas melhores condições (70 ° C, 3 bar de pressão a montante e 0,3 mol/L de NaOH). A influência do adimensional -número de cavitação? também foi avaliada em dois níveis (0,017 e 0,048), resultando em maior eficiência usando o número de cavitação mais baixo, que foi obtido usando placa de orifício com 16 furos (1 mm de diâmetro). Usando estas condições otimizadas e menor temperatura (60 ° C ao invés de 70 ° C) para evitar a formação de espuma quando o licor negro é reutilizado, outros álcalis (Ca (OH)2, Na2CO3, KOH) foram avaliados em combinação com CH e comparados com o uso de NaOH. Conversões enzimáticas elevadas das frações carboidrato foram observadas em material pré-tratado utilizando KOH-CH e NaOH-CH; além disso, o licor negro de NaOH foi reutilizado em 10 bateladas sequenciais. As biomassas pré-tratadas com licor negro reutilizado e fresco foram misturadas e utilizadas em processo de sacarificação e fermentação simultâneas (SSF) em reatores de coluna interligados, resultando em 62,33% de hidrólise das frações carboidrato e 17,26 g/L de produção de etanol (0,48 g de etanol/g de glicose e xilose consumidos). Finalmente, a adição de agente oxidante (H2O2) no processo alcalino-CH foi otimizado. Nas condições selecionadas (0,29 mol/L de NaOH, 0,78% v/v de H2O2 e 9,8 min), 95,43% e 81,34% de rendimento de hidrólise enzimática das frações de celulose e hemicelulose, respectivamente, foram obtidos utilizando 5% de carregamento de sólidos (S/L) no processo de hidrólise. Quando foi utilizado reator de coluna de leito fixo com 20% de S/L, atingiu-se 74,7% de rendimento de hidrólise de celulose. Os açúcares presentes no hidrolisado também foram fermentados em etanol em um reator de coluna de bolhas, resultando em um valor de rendimento de 0,49 g/g e 0,68 g/L.h de produtividade. Analisando-se os resultados de uma forma global, demonstrou-se que a CH é uma tecnologia promissora para acelerar o tempo de pré-tratamento em condições amenas, mostrando vantagens como simplicidade do sistema e possibilidade de aplicação em escala industrial.

Thesis (Doctor of Engineering in Chemical Engineering)--Cape Peninsula University of Technology, 2018.
Lignocellulosic biomass (agro-waste) has been recommended as the most promising feedstock for the production of bioalcohols, in the biofuel industry. Furthermore, agro-waste is well-known as the most abundant organic matter in the agricultural and forestry product processing industry. However, the challenge with utilizing agro-waste as a feedstock is its highly recalcitrant structure, which limits hydrolysis to convert the holocelluloses into fermentable sugars. Conventional pre-treatment methods such as dilute acid, alkaline, thermal, hot water and enzymatic, have been used in previous studies. The challenge with these conventional methods is the generation of residual toxicants during the pretreatment process, which inhibits a high bioalcohol yield, by reducing the microbial populations’ (fermenter) ability to be metabolically proficient during fermentation. Numerous studies have been developed to improve the engineered strains, which have shown to have an ability to reduce the inhibition and toxicity of the bioalcohols produced or by-products produced during pre-treatment, while enhancing the bioalcohol production. In the present study (chapter 5), evaluation of common conventional methods for the pretreatment of the mixed agro-waste, i.e. (˃45µm to <100µm) constituted by Citrus sinensis, Malus domestica peels, corn cobs from Zea mays and Quercus robur (oak) yard waste without a pre-rinsing step at a ratio of 1:1 at 25% (w/w) for each waste material, was undertaken, focusing on hot water pre treatment followed by dilute acid (H2SO4) pre-treatment. To further pretreat the mixed agro-waste residue, cellulases were used to further hydrolyse the pre-treated agro-waste in a single pot (batch) multi-reaction process. The TRS concentration of 0.12, 1.43 and 3.22 g/L was achieved with hot water, dilute acid and cellulases hydrolysis as sequential pretreatment steps, respectively, in a single pot multi-reaction system. Furthermore, a commercial strain was used to ascertain low (C1 to C3) and high carbon content (C4+) bioalcohol production under aerobic conditions. Multiple bioproducts were obtained within 48 to 72 h, including bioethanol and 1-Butanol, 3-methyl, which were major products for this study. However, undesirable bio-compounds such as phenolics, were detected post fermentation. Since multiple process units characterised by chemical usage and high energy intensivity have been utilized to overcome delignification and cellulolysis, a sustainable, environmental benign pretreatment process was proposed using N. mirabilis “monkey cup” fluids (extracts) to also reduce fermenter inhibitors from the delignification of mixed agrowaste; a process with minimal thermo physical chemical inputs for which a single pot multi-reaction system strategy was used. Nepenthes mirabilis extracts shown to have ligninolytic, cellulolytic and xylanolytic activities, were used as an enzyme cocktail to pretreat mixed agro-waste, subsequent to the furtherance of TRS production from the agro-waste, by further using cellulase for further hydrolysis. N. mirabilis pod extracts were determined to contained carboxylesterases (529.41±30.50 U/L), β-glucosidases (251.94±11.48 U/L) and xylanases (36.09±18.04 U/L), constituting an enzymatic cocktail with a significant potential for the reduction in total residual phenolic compounds (TRPCs). Furthermore, the results indicated that maximum concentration of TRS obtainable was 310±5.19 mg/L within 168 h, while the TRPCs were reduced from 6.25±0.18 to 4.26 ±0.09 mg/L, which was lower than that observed when conventional methods were used. Overall N. mirabilis extracts were demonstrated to have an ability to support biocatalytic processes for the conversion of agro-waste to produce fermentable TRS in a single unit facilitating multiple reactions with minimised interference with cellulase hydrolysis. Therefore, the digestive enzymes in N. mirabilis pods can be used in an integrated system for a second generation biorefinery.

Há uma demanda global pelo abastecimento de combustíveis veiculares menos poluentes, tanto por questões energéticas quanto sócio-ambientais. Uma potencial alternativa, que traduz a possibilidade de um biocombustível sem as limitações da Primeira Geração, é a rota tecnológica conhecida como Biomass-to-Liquids (BTL) que, através da gaseificação e da síntese Fischer-Tropsch, possibilita a obtenção de biocombustíveis líquidos, como o óleo diesel sintético, provenientes da biomassa moderna, nesse estudo, a biomassa lignocelulósica. Para a produção em escala comercial de um biocombustível da Segunda Geração, um complexo planejamento e altos investimentos são demandados dado seu pioneirismo e ausência de histórico de mercado ou modelos precisos. Uma metodologia desenvolvida em 2006 pelo pesquisador Harold Boerrigter propõe o dimensionamento ideal de uma planta BTL a partir de uma planta Gas-to-Liquids (GTL); são aqui propostas correções e atualizações para esta metodologia, sugerindo-se uma curva capaz de apontar a influência da economia de escala em plantas BTL e uma fórmula para o cálculo estimado do Total Capital Investment (TCI) destas plantas até o momento o Brasil não dispõe de nenhuma planta que opere pela rota BTL. Segue-se com considerações sobre a oferta de resíduos florestais no território brasileiro e a constatação de que a mesma seria insuficiente como matéria-prima para sustentar grandes plantas BTL, fazendo-se necessário o emprego de culturas planejadas na forma de florestas energéticas. Uma vez feita tal análise, apresenta-se o histórico, desde sua concepção até o seu fechamento, da primeira planta a operar pela rota BTL e a produzir o designer fuel batizado de SunDiesel®: construída na Alemanha, a CHOREN Industritechnik contribui com sua experiência de anos e também com a tecnologia de gaseificação Carbo-V® para as pesquisas com os biocombustíveis sintéticos. Seu exemplo pode sinalizar um alerta com relação ao dispêndio de esforços em projetos desta natureza dadas as incertezas econômicas que circundam as fronteiras tecnológicas dos combustíveis da Segunda Geração.
There is a global demand for the supply of less polluting vehicular fuels as much by energy issues as socio-environmental. A potential alternative meaning the possibility of a biofuel without the limitations from the First Generation is the technological route known as Biomass-to-Liquids (BTL) which via gasification and the Fischer-Tropsch synthesis turns possible to obtain liquid biofuels such synthetic diesel oil from modern biomass, in this study, the lignocellulosic biomass. For commercial-scale production of a Second Generation biofuel, a complex planning and high investments are required given its pioneering and absence of market history or precise models. A methodology developed in 2006 by researcher Harold Boerrigter proposes the ideal sizing for a BTL plant assuming a Gas-to-Liquids (GTL) plant; here are proposed corrections and updates for this methodology, suggesting a curve able to point the influence of economy of scale in BTL plants and a formula for the calculation of an estimated Total Capital Investment (TCI) of these plants by the present time Brazil has no plant operating by BTL route. The research follows up with issues regarding forest residues provision in the Brazilian territory and conlcuding that the same would be insufficient as a raw material to sustain large BTL plants, making necessary the use of planned crops in the form of energy forests. Once made such analysis, it is presented the history since its beginning until its closing for the first plant to operate by the BTL route and to produce the designer fuel called SunDiesel®: built in Germany, the CHOREN Industritechnik contributes with its experience of years and also with the gasification technology Carbo-V® for researches with synthetic biofuels. Such example may indicates an alert regarding the expenditure of efforts on projects of this nature, given the economic uncertainties that surround the Second Generation fuels technological frontiers.

Thesis (MScEng)-- Stellenbosch University, 2013.
ENGLISH ABSTRACT: Climate change that results from greenhouse gases (GHG’s) released from the burning of fossil fuels, together with the rising price of oil, have sparked interest in renewable biofuels. The production of biofuels also presents potential socio-economic benefits. There are two types of technologies for bioethanol production: · First generation bioethanol is produced from food feedstocks such as juice of sugarcane. · Second generation bioethanol is produced from non-food feedstocks (lignocellulosic materials). This project is concerned with 1st and 2nd generation bioethanol production from sugarcane juice and bagasse and the integration of these technologies. This project comprises a combination of experimental and process modelling work to assess energy efficiencies and the economic viability of integrated and stand-alone processes in the sub-Saharan African context. First generation fermentation experiments were conducted and high ethanol concentrations of up to 113.7 g/L were obtained. It was concluded that a recombinant yeast strain may be able to replace a natural hexose fermenting yeast for 1st generation fermentations to reduce costs. 2nd generation fermentation experiments were performed and ethanol concentrations of close to 40 g/L were obtained. Combinations of 1st and 2nd generation fermentation experiments were performed to improve the 2nd generation fermentation. In one of the experiments it was concluded that the combination of 1st and 2nd generation fermentations significantly improved the 2nd generation fermentation with an overall ethanol concentration of 57.6 g/L in a shorter time than for the pure 2nd generation experiments. It was determined from washing and pressing experiments that pressing the pre-hydrolysate liquor out of the pre-treated bagasse will sufficiently lower the levels of inhibitors in a 2nd generation fermentation when using a hardened yeast. Some of the data from the 1st generation experiments were used along with literature data to model a first generation process in Aspen Plus® which processes 493 tons of cane per hour (tc/hr). Pinch heat integration was used to reduce the utility requirements. The process used the bagasse that was generated to co-produce steam and electricity. The excess electricity was sold for additional revenue. In one scenario the excess bagasse was determined at 57.5%. This bagasse was sold to a stand-alone 2nd generation plant. The first generation process produced 85.5 litres of ethanol per ton of cane (L/tc), the integrated process produced 128 L/tc while the stand-alone 2nd generation process produced 185 litres of ethanol per ton of bagasse (50% moisture) or 25.5 L/tc. The amount of excess electricity that was produced ranged from 14.3 to 70.2 kWh/tc. Economic analyses were performed using South African economic parameters to resemble the sub- Saharan African context. Data from the 1st generation process model and literature data for integrated 1st and 2nd generation and stand-alone 2nd generation processes were used for the analyses. It was found that the integrated plant is the most economically viable (IRR = 11.66%) while the 1st generation process basically broke even (IRR = 1.62%) and the 2nd generation process is unviable. This was as a result of high sugarcane prices and too few incentives for 2nd generation ethanol.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Klimaatsverandering wat veroorsaak word deur kweekhuisgasse wat vrygestel word deur die verbranding van fossielbrandstowwe en die stygenede olieprys het belangstelling in hernubare biobrandstowwe laat opvlam. Die produksie van biobrandstowwe hou ook potensiële sosioekonomiese voordele in. Daar is twee tegnologieë vir bioetanol produksie: · Eerste generasie bioetanol word vanaf voedsel bronne soos suikersap geproduseer. · Tweede generasie bioetanol word van nie-voedsel bronne (lignosellulose materiaal) geproduseer. Hierdie projek handel oor 1ste en 2de generasie bioetanol produksie van suikersap en suikerriet bagasse en die integrasie van hierdie tegnologieë. Hierdie projek bestaan uit ‘n kombinasie van eksperimentele- en prosesmodellering werk om die energiedoeltreffendheid en ekonomise vatbaarheid van geïntegreerde en alleenstaande prosesse in die sub-Sahara konteks te ondersoek. Eerste generasie fermentasie eksperimente is uitgevoer en hoë etanol konsentrasies van tot 113.7 g/L is gekry. Dit was bepaal dat ‘n rekombinante gisras ‘n natuurilke heksose fermenterende gisras kan vervang vir 1ste generasie fermentasies om kostes te bespaar. 2de generasie fermentasie eksperimente is gedoen en etanol konsentrasies van amper 40 g/L is behaal. Kombinasies van 1ste en 2de generasie fermentasie-eksperimente was uitgevoer om die 2de generasie fermentasie te verbeter. In een van die eksperimente is dit bepaal dat die kombinasie van 1ste en 2de generasie fermentasie die 2de generasie fermentasie beduidend verbeter het met ‘n etanol konsentrasie van 57.6 g/L en dít in ‘n korter tyd as vir die suiwer 2de generasie eksperimente. Dit was bepaal vanuit pers- en was eksperimente dat om die pre-hidrolisaat vloeistof uit die stoombehandelde bagasse te pers, die vlak van inhibitore in ‘n 2de generasie fermentasie voldoende verlaag vir die gebruik van ‘n verharde gis. Van die data van die 1ste generasie eksperimente was saam met literatuurdata gebruik om ‘n 1ste generasie proses in Aspen Plus® te modelleer wat 493 ton suikerriet per uur prosesseer (tc/hr). Pinch hitte integrasie was gebruik om die dienste vereistes te verminder. In die proses word die bagasse gebruik om stoom en elektrisiteit te genereer. In een geval was die oortillge bagasse bepaal as 57.5%. Hierdie bagasse was verkoop aan ‘n alleenstaande 2de generasie aanleg. Die eerste generasie proses het 85.5 liter etanol per ton suikerriet geproduseer (L/tc), die geïntegreerde proses het 128 L/tc geproduseer terwyl die 2de generasie proses 185 liter etanol etanol per ton bagasse (50% vog) of 25.5 L/tc geproduseer het. Die hoeveelhede oortillige elektrisiteit wat geproduseer is wissel van 14.3 tot 70.2 kWh/tc. Ekonomiese analieses is gedoen met Suid-Afrikaanse ekonomiese parameters om die sub-Sahara Afrika-konteks uit te beeld. Data van die 1ste generasie prosesmodel en literatuurdata van geïntegreerde 1ste en 2de generasie en alleenstaande 2de generasie prosesse was vir die analieses gebruik. Dit is bepaal dat die geïntegreerde model die mees ekonomies vatbare model is (IRR = 11.66%) terwyl die 1ste generasie proses basies gelyk gebreek het (IRR = 1.62%) en die 2de generasie proses is ekonomies onvatbaar. Hierdie bevindinge is as gevolg van hoë suikerrietpryse en te min aansporings vir 2de generasie etanol.

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Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
A indústria sucroalcooleira gera elevado número de resíduos de origem da biomassa lignocelulósica que apresentam grande potencial para produção de biocombustíveis, em particular o etanol de segunda geração. Uma das formas promissoras para a desconstrução da biomassa lignocelulósica é através da utilização de consórcios bacterianos que produzem enzimas altamente específicas com a capacidade de quebrar a estrutura da lignocelulose. Porém, para a otimização desse processo é importante entender as funções metabólicas presentes nesses consórcios degradadores de biomassa. Portanto, esse estudo objetivou identificar e classificar a composição de uma comunidade bacteriana proveniente de consórcio oriundo de solo contendo bagaço de cana-de-açúcar em decomposição e avaliar sua capacidade metabólica através de sequenciamento genômico de alto rendimento e análises de bioinformática. Esse consórcio foi cultivado durante vinte semanas, sendo que amostras de DNA foram extraídas para sequenciamento a cada sete dias. O sequenciamento da subunidade 16S do operon ribossomal (16S rRNA) foi realizado utilizando a plataforma Ion PGM™, enquanto que o sequenciamento do DNA total foi realizado na plataforma HiSeq 2500, Illumina®. Os resultados do sequenciamento do 16S rRNA indicam 5 diferentes famílias bacterianas ao longo das 20 semanas, sendo Burkholderiaceae (73%) e Rhodanobacteraceae (24%) as mais abundantes. Análises do potencial funcional do consórcio realizadas através dos programas PICRUSt e STAMP, indicam o enriquecimento da função de transportadores, incluindo transportadores do tipo ABC, principalmente na primeira semana, sugerindo um provável papel na metabolização do material lignocelulolítico presente no meio. Os dados gerados pelo sequenciamento total do metagenoma foram montados (“de novo” assembly) e permitiram recuperar a sequência genômica de um dos organismos mais abundantes presentes no consórcio (24%). Esse genoma foi finalizado e circularizado, apresentando 4.758.639 pb e GC% de 65,25, e similaridade de 99% da sequência do 16S rRNA e 90,77% de identidade de suas sequências codificadoras com o genoma da bactéria Dyella jiangningensis SBZ3-12 (Rhodanobacteraceae). A anotação realizada através da plataforma RAST, indicou 4.194 genes codificadores de proteínas, dentre os quais 36 Glicosil Hidrolases potencialmente envolvidas com a degradação da biomassa lignocelulósica. Portanto, esse estudo permitiu a elucidação da diversidade microbiana e perfil metabólico de um consórcio bacteriano, revelando um novo genoma pertencente ao gênero Dyella, potencialmente relacionado com o processo de degradação da biomassa lignocelulósica. Em linhas gerais, os resultados obtidos também corroboraram o potencial que ferramentas de sequenciamento de alto rendimento, metagenômica e bioinformática apresentam para o estudo de comunidades microbianas com potencial biotecnológico, mostrando-se como uma valiosa alternativa para a investigação de novos alvos para a pesquisa em bioenergia.
The sugarcane ethanol industry generates a number of residues related to the lignocellulosic biomass which exhibit potential for the production of biofuels, in particular second generation ethanol. One of the promising ways for the deconstruction of lignocellulosic biomass to valuable products is through the use of bacterial consortia. These consortia encode a specific set of enzymes capable to metabolize and decompose the lignocellulose structure. However, to optimize this process, the metabolic functions present in a biomass-degrading consortia must be well known. Therefore, this study aimed to unravel the taxonomic composition, and to evaluate the metabolic profile of a bacterial consortium from a sugar-cane derived soil containing decomposing straw, through high-throughput genomic sequencing and bioinformatics analyzes. The selected consortium was cultivated in laboratory for twenty weeks, and DNA samples were extracted for sequencing every seven days. The 16S subunit of the ribosomal operon (16S rRNA) and total DNA sequencing were performed through the Ion PGM™ (Thermo Fischer) and HiSeq 2500 (Illumina) platforms, respectively. The 16S rRNA sequencing indicate at least 5 different bacterial families during the 20 weeks of cultivation. The Burkholderiaceae (73%) and Rhodanobacteraceae (24%) are the most abundant. Functional analyses, indicate an enrichment of the transporter-related function, including ABC-transporters mainly in the first week of cultivation, suggesting a probable role related with the decomposing of the lignocellulolytic material. The whole metagenome sequencing uncover the genomic sequence of one of the most abundant organisms present in the consortium (abundance ~24% of the sequenced reads). This genome was finished and circularized, exhibiting 4,758,639 bp, GC% of 65.25, and 99% of similarity of the 16S rRNA and 90.77% identity of the coding sequences to the genome of the bacterium Dyella jiangningensis SBZ3- 12 (Rhodanobacteraceae). The annotation revealed 4,194 proteins coding genes, among which 36 Glycosyl Hydrolases potentially involved with the degradation of lignocellulosic biomass. Therefore, the microbial diversity and metabolic profile of the consortium was revealed. In addition a new genome belonging to the Dyella genus potentially involved with degradation of the lignocellulosic biomass were also uncovered. Overall, the results also corroborated the potential of high-throughput metagenomic sequencing and bioinformatic aproach for the elucidation of microbial communities with biotechnological potential, proving to be a valuable alternative for the bioenergy research.
CNPq: 132532/2015-8

The transport sector is seen as particularly problematic when concerns about climate change and dependency on fossil energy are discussed. Because of this, bioenergy is strongly promoted for use in the transport sector, both on a European level and nationally in Sweden. Even though bioenergy is considered one of the key solutions, it is generally agreed that both supply- and demand-side measures will be needed to achieve a change to a more sustainable transport system. One of the reasons for this is the limited availability of biomass, especially agricultural feedstocks competing with food or feed production. Woody biomass, however more abundant, is also exposed to tough competition from other sectors. In this thesis, the role of biogas as a vehicle fuel in a future sustainable transport system is discussed together with the prerequisites needed to realise such a transport system. Biogas is a biofuel that could be produced in several different ways: by anaerobic digestion, which is a first-generation production route, by gasification, which is a second-generation process, and by catalytic reduction of carbon dioxide, a third-generation technology. The main focus in this thesis is on biogas produced by anaerobic digestion and the results show that there is a significant potential for an increase compared to today’s production. Biogas from anaerobic digestion, however, will only be able to cover a minor part of the demand in the Swedish transport sector. Considering biogas of the second and third generations, the potential for production is more uncertain in a mid-term future, mainly due to competition for feedstock, the possibility to produce other fuels by these processes, and the present immaturity of the technology. The limited potential for replacing fossil vehicle fuels, either by biogas or other renewable fuels, clearly shows the need for demand-side measures in the transport system as well. This thesis shows the importance of technical and non-technical means to decrease the demand for transport and to make the transport as efficient as possible. The results show that both energy-efficient vehicles and behavioural and infrastructural changes will be required. Policies and economic incentives set by governments and decision-making bodies have a prominent role to play, in order to bring about a shift to a more sustainable transport system, however, measures taken on individual level will also have a great impact to contribute to a more sustainable transport system.

QC 20121116

La création de nouvelles enzymes pour l’hydrolyse de la biomasse est une stratégie clé pour ledéveloppement du bioraffinage. Dans ce contexte, les xylanases de la famille GH11 sont déjàdéployées dans de nombreux procédés industriels et donc bien positionnées pour jouer un rôleimportant dans ces procédés. La cible de cette étude, la xylanase GH11 (Tx-Xyl) de la bactérieThermobacillus xylanilyticus, est une enzyme thermostable et donc une bonne candidate pour destravaux d’ingénierie visant l’amélioration de son activité sur des substrats ligno-cellulosiques.Dans cette étude, deux stratégies d’ingénierie des enzymes ont été employées afin d’obtenir denouvelles informations portants sur les relations structure-fonction au sein de Tx-Xyl. La premièrestratégie a consisté en l’utilisation d’une approche de mutagenèse aléatoire, couplée à l’emploi deméthodes de recombinaison in vitro. Ces travaux avaient pour objectif d’améliorer la capacitéhydrolytique de Tx-Xyl sur la paille de blé. La deuxième stratégie mise en oeuvre s’est appuyée surune approche semi-rationnelle visant la création d’une enzyme chimérique, qui bénéficierait d’uneamélioration des interactions enzyme-substrat au niveau du sous-site -3.Le premier résultat majeur de cette thèse concerne le développement d’une méthode de criblagequi permet l’analyse à haut débit de banques de mutants pour la détection de variants quiprésentent une activité hydrolytique accrue directement sur paille de blé. A l’aide de ce crible, nousavons pu analyser plusieurs banques de mutants, représentant un total de six générations demutants, et identifier une série de combinaisons de mutations différentes. D’un côté, un variant,comportant deux mutations silencieuses, permet une meilleure expression de Tx-Xyl, alors qued’autres enzymes mutées présentent des modifications intrinsèques de leurs aptitudes catalytiques.Comparés à l’enzyme parentale Tx-Xyl, certains mutants solubilisent davantage les arabinoxylanes dela paille et, lorsqu’ils sont déployés avec un cocktail de cellulases, participent à une réactionsynergique qui permet un accroissement du rendement des pentoses et du glucose libérés.A l’aide d’une approche semi-rationnelle, une séquence de 17 acides aminés en provenance d’unexylanase GH11 fongique a été ajoutée à l’extrémité N-terminale de Tx-Xyl, afin de créer de nouveauxbrins β. L’enzyme chimérique a pu être exprimée avec succès et caractérisée. Néanmoins, l’analysede ses propriétés catalytiques a révélé que celle-ci ne présente pas davantage d’interactions avec sonsubstrat dans le sous-site -3, mais les résultats obtenus fournissent de nombreux renseignements surles relations structure-fonction au sein de l’enzyme. De plus, ces travaux nous permettent depostuler que Tx-Xyl posséderait un site de fixation secondaire pour les xylanes, un élement jusqu’iciinsoupçonné dans cette enzyme. Par ailleurs, l’analyse de nos résultats nous permet de proposer uneexplication rationnelle pour l’échec de notre stratégie initiale
Engineering new and powerful enzymes for biomass hydrolysis is one area that will facilitate thefuture development of biorefining. In this respect, xylanases from family GH11 are already importantindustrial biocatalysts that can contribute to 2nd generation biorefining. The target of this study, theGH11 xylanase (Tx-Xyl) from Thermobacillus xylanilyticus is thermostable, and is thus an interestingtarget for enzyme engineering, aiming at increasing its specific activity on lignocellulosic biomass,such as wheat straw. Nevertheless, the action of xylanases on complex biomass is not yet wellunderstood, and thus the use of a rational engineering approach is not really feasible.In this doctoral study, to gain new insight into structure-function relationships, two enzymeengineering strategies have been deployed. The first concerns the development of a randommutagenesis and in vitro DNA shuffling approach, which was used in order to improve the hydrolyticpotency of Tx-Xyl on wheat straw, while the second strategy consisted in the creation of a chimericenzyme, with the aim of probing and improving -3 subsite binding, and ultimately improvinghydrolytic activity.The first key results that has been obtained is the development of a novel high-throughputscreening method, which was devised in order to reliably pinpoint mutants that can better hydrolyzewheat straw. Using this screening method, several generations of mutant libraries have beenanalyzed and a series of improved enzyme variants have been identified. One mutant, bearing silentmutations, actually leads to higher gene expression, while others have intrinsically altered catalyticproperties. Testing of mutants has shown that some of the enzyme variants can improve thesolubilization of wheat straw arabinoxylans and can work in synergy with cellulose cocktails torelease both pentose sugars and glucose.Using a semi-rational approach, 17 amino acids have been added to the N-terminal of Tx-Xyl, withthe aim of adding two extra β-strands coming from a GH11 fungal xylanase. A chimeric enzyme hasbeen successfully expressed and purified and its catalytic properties have been investigated.Although this approach has failed to create increased -3 subsite binding, the data presented revealsimportant information on structure-function relationships and suggest that Tx-Xyl may possess ahitherto unknown secondary substrate binding site. Moreover, a rational explanation for the failureof the original strategy is proposed

Nesta tese, a ressonância magnética nuclear do estado sólido (SSNMR) foi utilizada para estudar a composição química e estrutura dos componentes da parede celular de plantas. Visando contribuir no desenvolvimento de estratégias de despolimerização da biomassa, SSNMR foi inicialmente utilizada para estudar efeitos dos pré-tratamentos químicos e físicos, e da ação de enzimas sobre algumas biomassas. Os resultados mostraram que, em baixas concentrações, tratamentos ácidos são altamente efetivos na remoção das frações de hemicelulose, com pouco efeito nas frações de lignina e celulose. Já tratamentos alcalinos promovem eficiente deslignificação da biomassa, sendo que a mínima concentração da solução alcalina necessária para obter a máxima deslignificação depende do tipo de biomassa e da temperatura do tratamento. Os estudos por SSNMR foram correlacionados com estudos por outras técnicas, contribuindo para um entendimento mais profundo sobre o efeito dos pré-tratamentos e da hidrolise enzimática em diferentes biomassas. Outra parte da tese aborda a determinação da cristalinidade de celulose nativa (não extraída) de biomassa de bagaço de cana-de-açúcar. Utilizando a técnica de polarização cruzada em múltiplas etapas (Multi-CP) e um procedimento de subtração espectral, foi possível isolar os sinais de RMN da celulose nativa e a partir daí avaliar o índice de cristalinidade (CI). Esse método foi utilizado para avaliar o CI da celulose nativa de bagaço de cana-de-açúcar submetido à pré-tratamentos com H2SO4 e NaOH e os resultados não mostraram variações significativas do CI da celulose nas concentrações utilizadas, apesar do aumento da eficiência da hidrólise. Assim, ao contrário de muitos trabalhos encontrados na literatura, não parece que a cristalinidade da celulose seja um fator primordial no aumento de eficiência da hidrólise enzimática. Na parte final da tese, as interações intermoleculares entre os dois principais polissacarídeos da biomassa: celulose e xilano foram investigadas utilizando uma variedade de técnicas avançadas de RMN bidimensional. Neste trabalho, a arquitetura molecular de hastes de plantas de Arabidopsis Thaliana, sem nunca serem seca foi estudada. Utilizando a técnica refocused J-INADEQUATE (Increadible Natural Abundance Double Quantum Transfer Experiment via J coupling) observamos dois conjuntos de deslocamentos químicos distintos para o xilano, sendo um deles coincidente com aquele observado em solução. Em seguida, utilizamos experimentos SSNMR com o intuito de investigar se algum desses domínios de xilano estaria vinculado com a celulose. Experimentos CP-PDSD (Proton Driven Spin Diffusion detected via 13C through Cross-Polarization) demonstram a existência de proximidade espacial entre o novo domínio do xilano e o domínio da celulose. A comparação de resultados entre as amostras de padrão e o seu mutante deficiente em celulose (irx3) indicaram que o xilano com novo deslocamento químico é fortemente dependente da presença de celulose. A análise da mobilidade molecular pela técnica Dipolar Chemical Shift Correlation (DIPSHIFT), mostrou que as moléculas do novo domínio do xilano são altamente rígidas - uma característica partilhada com a celulose. Combinados, esses dados fornecem evidências de uma arquitetura molecular específica entre os dois polissacarídeos majoritários da parede celular.
Solid-state nuclear magnetic resonance (SSNMR) was used to study the chemical composition and structure of plant cell wall components. Aiming the development of depolymerization strategies, SSNMR was initially used to study the effects of chemical and physical pre-treatments, as well as the enzymatic action on the structure and composition of biomasses. The results showed that, at low concentrations, pre-treatments with acids are highly effective for removal of hemicellulose without significant effect on lignin and cellulose. In turn, the alkaline pre-treatment promotes efficient delignification of the biomass. The minimum concentration of the alkaline solution required to achieve the maximum delignification depends on the type of biomass and treatment temperature. SSNMR studies were correlated with studies using other techniques, contributing to an in-depth understanding of the effect of pre-treatments and enzymatic hydrolysis in different biomasses. Another part of the thesis discusses is the determination of native cellulose crystallinity (not extracted) of sugarcane bagasse biomasses. Using the cross-polarization technique in multiple blocks (Multi-CP) and a spectral subtraction approach, it was possible to isolate the NMR signals of the native cellulose and to evaluate the crystallinity index (CI). This method was used to accessof the CI of cellulose in sugarcane bagasse samples pre-treated with H2SO4 and NaOH. The results did not show significant variations of the cellulose CI, at the concentration used here, despite the increase in the hydrolysis efficiency. Thus, in contrast to some studies in the literature, it does not appear that the crystallinity of cellulose is a primary limiting factor concerning the enzymatic hydrolysis efficiency in biomasses. In the final part of this thesis, the intermolecular interactions between the two main polysaccharides of the plant cell wall, cellulose and xylan, were investigated using advanced two-dimensional NMR techniques. The molecular architecture of 13C labelled never-dried Arabidopsis Thaliana stems was studied. Using refocused J-INADEQUATE (Increadible Natural Abundance Double Quantum Transfer Experiment via J coupling) we observed two distinct chemical shifts in xylan, one of which coincides with that observed in solution. Next, we used SSNMR experiments toinvestigate the interaction between the novel xylan and cellulose domains. CP-PDSD (Proton Driven Spin Diffusion detected via 13C through Cross-Polarization) experiments demonstrated spatial proximity between the new xylan and cellulose domains. The same approach was used to study cellulose deficient (irx3) mutants and the comparison between the results indicate that the new xylan domain is cellulose-dependent. Dipolar Chemical Shift Correlation (DIPSHIFT) experiments were performed to analyse the molecular mobility of these polysaccharides showing that the novel xylan is highly rigid - a characteristic which is shared with cellulose. Combined, these data provide evidence for a specific molecular architecture between the two most common polysaccharides in plant cell walls.

A irrigação quando bem manejada, pode minimizar os riscos econômicos da atividade sucroalcooleira, particularmente em safras com presença de instabilidade climática onde a restrição hídrica, promovida pela diminuição no volume de chuvas, pode reduzir a produtividade dos canaviais. Dentre as ferramentas disponíveis para a gestão eficiente da água na agricultura irrigada, a técnica de irrigação sob déficit pode se tornar uma escolha acertada para a cana-de-açúcar, desde que sejam identificadas as fases fenológicas e épocas de cultivo onde a limitação da oferta de água não implique em reduções antieconômicas no rendimento da cultura. Diante disso, a hipótese que norteia essa pesquisa, é a de que existe uma estratégia de irrigação sob déficit, que associada a uma variedade com características específicas, possibilite a expressão de indicadores de produtividade tão satisfatórios quanto os obtidos em condições de irrigação plena. Nessa linha, os objetivos da pesquisa envolveram o estudo da dinâmica foliar, acúmulo e particionamento de biomassa e ainda, índices de produtividade da água para biomassa, açúcar e etanol de 1ª e 2ª geração de oito variedade de cana-de-açúcar, submetidas a diferentes condições de disponibilidade hídrica no solo em dois ciclos de cultivo (cana-planta e cana-soca). A pesquisa foi realizada na Escola Superior de Agricultura \"Luiz de Queiroz\", em Piracicaba/SP, onde foram estudados os dois primeiros ciclos de cultivo da cana-de-açúcar, sendo estes abordados nesta tese como Experimento 1 (cana-planta) e Experimento 2 (cana-soca). O delineamento experimental adotado para ambos os ciclos foi o de blocos casualizados, com três blocos completos. Os tratamentos foram compostos por três fatores em esquema de parcelas sub-subdivididas. Estas parcelas foram formadas por duas plantas (touceiras) alocadas em um vaso com aproximadamente 330 litros de solo. No Experimento 1, foram estudados três fatores, sendo o primeiro e segundo com quatro níveis e o terceiro com oito (4x4x8), totalizando assim 128 tratamentos, sendo eles: quatro níveis de irrigação ao longo do ciclo (125, 100, 75 e 50% da ETc); oito variedades comerciais de cana-de-açúcar e quatro procedimentos de maturação, impostos por meio de variações na intensidade do déficit hídrico aplicado. Para o Experimento 2, substitui-se o fator Maturação por Épocas de Corte, o qual consistiu em colheitas de um quarto do experimento a cada 90 dias. Os resultados encontrados apontaram que a área foliar responde positivamente a maior disponibilidade hídrica no solo, tendo sido verificado uma relação proporcional entre estes. Quanto ao acúmulo de biomassa, verificou-se que para as oito variedades estudadas houve incremento de biomassa a medida em que se aumentou o volume de água disponibilizado às variedades. No tocante ao particionamento, as folhas foram os drenos principais de fotoassimilados da planta até os 100 dias de cultivo, sendo que após este período, os colmos ocuparam o lugar de dreno preferencial. Os indicadores de produtividade da água apresentaram diferenças significativas para o fator lâmina, o que indica a existência de cultivares de cana-de-açúcar mais eficientes no uso da água. Por fim, observou-se que a produtividade da água para etanol total apresentou valores expressivos, com média para essa variável igual a 1,81 L m-3, o que denota o potencial de rendimento de etanol (1G + 2G) a partir da cana-de-açúcar quando é adotado o aproveitamento integral das plantas.
Irrigation when managed, can minimize the economic risks of sugarcane activity, particularly in crops with the presence of climatic instability where water restriction, promoted by the decrease in rainfall, can reduce the productivity of sugarcane fields. Among the tools available to effectively irrigation manage, under deficit irrigation technique can become a right choice for sugarcane, provided they are investigated phenological stages and growing seasons where the limitation of the supply of water does not lead to uneconomical reductions in crop yield. Therefore, the hypothesis that guides this work is that there is a strategy of deficit irrigation, which associated with a cultivar with specific characteristics, enables the expression of productivity indicators as satisfactory as those obtained in full irrigation conditions. In this context, the objectives of this research involves the study of leaf dynamics, biomass accumulation and partitioning and also the water productivity indices for biomass, sugar and ethanol from 1st and 2nd generation of eight variety of sugarcane, subject to different conditions of soil water availability in two crop cycles (cane plant and ratoon crop). The research was conducted at the College of Agriculture \"Luiz de Queiroz\", Piracicaba-SP, Brazil. The research was conducted in the first two cycles of cultivation of sugarcane, which are named in this thesis as Experiment 1 (plant crop) and Experiment 2 (ratoon crop). The experimental design adopted for both cycles was blocks randomized, with three complete blocks. The treatments were three factors in scheme of sub-split plot. These plots were formed by two plants (clumps) placed in a pot with about 330 liters of soil. In Experiment 1, three factors were studied, the first and second with four levels and the third with eight (4x4x8), totalizing 128 treatments, as follows: four levels of irrigation throughout the cycle (125, 100, 75 and 50% ETc); eight commercial varieties of sugarcane and four maturity procedures imposed by means of variations in the intensity of water deficit applied. For Experiment 2, the maturation factor was replace for Seasons Court, which consisted in harvests of a quarter of the experiment every 90 days. The results showed that the leaf area responds positively to greater soil water availability, having been verified a proportional relationship between these variables. For the biomass accumulation, it was found, for the eight varieties studied, an increment of biomass while was increase the volume of water available for the varieties. Regarding the partitioning, the leaves were the preferred structures of the plant until the 100 days of cultivation, and after this period, the stems took the place of preferred drain. Water productivity indicators showed significant differences for the irrigation depth factor, which indicates the existence of sugarcane cultivars water use more efficient. Finally, it was observed that the total water productivity to ethanol showed significant values, with a mean for that variable equal to 1.81 L m-3, which shows the ethanol yield potential (1G + 2G) from sugarcane when it adopted the overall use of plants.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:20:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4606.pdf: 10556895 bytes, checksum: debf5633a053f88ca7dd4618edef9175 (MD5) Previous issue date: 2012-07-06
Universidade Federal de Minas Gerais
The plant biomass is a large-scale available resource and one of its more important applications is the second-generation ethanol production. However, the enzyme cost is one of the biggest barriers for economically viable ethanol from biomass. Therefore, it is important to identify fungal strains that can produce high concentrations of plant biomass-degrading enzymes. The aim of this work was to clone, study the gene expression and characterize the plant biomass-degrading transcript set of the filamentous fungus Trichoderma harzianum IOC-3844. A total of 1,543 highquality reads from the Trichoderma harzianum IOC-3844 cellulose induced cDNA library were organized into 1,002 transcripts representing 167 contigs and 835 singlets. Of these 1,002 transcripts 646 had unknown functions and 356 showed associated functions. Among the transcripts with associated functions, we found 20 transcripts related to plant biomass deconstruction. The real time PCR analysis of Trichoderma harzianum IOC-3844 mycelia grown for 36 and 60 hours in cellulose, revealed that the levels of the following mRNAs were induced by at least 2,000-fold when compared to uninduced mycelia: cbh1, cbh2, egl1, egl2, egl3, egl7 and swo1. In some cases, the values were higher than 100,000-fold. Among the transcripts analyzed by real time PCR, cbh1, cbh2 and egl7 exhibited the highest expression levels. The Trichoderma harzianum IOC-3844 exhibited a repertoire with high expression of plant biomassdegrading transcripts. The enzymes EGIII and Xyn2 were recombinantly expressed in Pichia pastoris, showing good quality purification and good enzymatic activity. The heterologous expression assays made possible future studies aiming at the industrial application of the enzymes. Therefore, this strain showed potencial to produce biomassdegrading enzymes for second-generation ethanol production and to be a source of enzymes for the paper industry
A biomassa vegetal é um recurso disponível em larga escala e uma das suas mais imporantes aplicações é a produção de etanol de segunda geração. No entanto, o custo das enzimas é um dos maiores entraves para a produção economicamente viável deste etanol. Neste contexto, é importante encontrar organismos produtores de grandes quantidades de enzimas que degradam a biomassa. Os objetivos deste estudo foram clonar, estudar a expressão gênica e caracterizar o conjunto de enzimas que degradam a biomassa vegetal, do fungo filamentoso Trichoderma harzianum IOC-3844. Um total de 1.543 seqüências de boa qualidade, geradas a partir de uma biblioteca de cDNA do Trichoderma harzianum IOC-3844, induzido por celulose, foi organizado em 1.002 transcritos, sendo 167 representados por mais de uma seqüência e 835 representados por apenas uma seqüência. Destes transcritos, 356 tiveram função associada e 646 não tiveram. Com isso, entre os transcritos com função associada, foram listados 20 transcritos envolvidos com degradação de biomassa vegetal. Análises de PCR em tempo real do micélio de Trichoderma harzianum IOC-3844, crescido por 36 e 60 horas em celulose, mostraram níveis de mRNA mais de 2.000 vezes mais representados para os transcritos cbh1, cbh2, egl1, egl2, egl3, egl7 e swo1, quando comparados com o micélio não induzido. Em alguns casos as maiores representatividades alcançaram valores superiores a 100.000 vezes. Entre os transcritos analisados o cbh1, o cbh2 e o egl7, mostraram os mais altos níveis de expressão. O Trichoderma harzianum IOC-3844 exibiu um repertório com alta expressão de transcritos envolvidas na degradação de biomassa vegetal. As enzimas EGIII e Xyn2 foram expressas em sistema recombinante com uso da levedura Pichia pastoris, apresentando facilidade de purificação e boa atividade enzimática. Os ensaios de expressão heteróloga viabilizaram estudos posteriores que visam a aplicação industrial das enzimas. Assim, esta cepa mostrou potencial para produzir enzimas que degradam a biomassa para a produção de etanol de segunda geração, e para ser fonte de enzimas para a indústria de papel.

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

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

Submitted by Marco Antônio de Ramos Chagas (mchagas@ufv.br) on 2016-08-25T17:49:22Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 4509982 bytes, checksum: 1ddc3e8d6d2fd98d0186c187ff37a974 (MD5)
Made available in DSpace on 2016-08-25T17:49:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 4509982 bytes, checksum: 1ddc3e8d6d2fd98d0186c187ff37a974 (MD5) Previous issue date: 2016-02-22
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
O etanol tem sido considerado um promissor biocombustível para substituir combustíveis fósseis. O uso estratégico de eucalipto, bagaço e palha de cana-de-açúcar em tecnologias de segunda geração para a produção de etanol foi estudada neste trabalho, usando vários processos de pré-tratamentos seguidos por sacarificação e fermentação simultâneas (SFS). No artigo I é apresentada a caracterização química de eucalipto, bagaço e palha de cana-de-açúcar antes e após os pré-tratamentos hidrotérmico (H 2 O), ácido diluído (4,5% H 2 SO 4 ) e alcalino (15% NaOH). Foi determinado que o significativo teor de sílica presente em bagaço e palha da cana-de- açúcar causaram superestimação da lignina Klason nessas biomassas. O novo método para reportar a composição química das biomassas, baseado no completo balanço de massas, foi sugerido e provou ser útil para avaliar ambas, matéria-prima e biomassa pré- tratada. A formação de pseudo-extrativos na madeira de eucalipto e pseudo-lignina no bagaço e na palha foi observada como resultado dos pré-tratamentos. O Artigo II apresenta a caracterização química e estrutural das xilanas isoladas a partir de eucalipto, bagaço e palha usando dois métodos, sendo eles: deslignificação com ácido peracético seguida por extração com dimetilsulfóxido e deslignificação com clorito de sódio seguida por extração com dimetilsulfóxido. A xilana obtida a partir do eucalipto foi identificada como do tipo O-acetil-4-O-metilglucuronoxilana, contendo 39 unidades de grupos acetilas e 11 ácidos 4-O-metilglucurônicos para cada 100 unidades de xilose na cadeia principal. Além disso, um ácido 4-O-metilglucurônico foi também substituído por uma unidade de galactosil terminal. A xilana obtida a partir de bagaço e palha foi do tipo arabinoxilana, que apresentou proporcionalmente 100 unidades de xiloses: 29 unidades de grupos acetilas: 5 unidades de arabinofuranosil para o bagaço e proporcionalmente 100 unidades de xiloses: 8 unidades de grupos acetilas: 6 unidades de arabinofuranosil para a palha. O Artigo III descreve o efeito dos pré-tratamentos hidrotérmico e ácido diluído (1,5%, 3,0% e 4,5% de H 2 SO 4 ) na composição química das biomassas e sua subsequente conversão em etanol. Observou-se que a redução no pH dos pré-tratamentos favoreceu a remoção de lignina e carboidratos. O eucalipto apresentou a maior produção de etanol após o pré-tratamento hidrotérmico, mas com rendimento relativamente baixo. Após os pré-tratamentos ácidos, bagaço e palha mostraram maiores produções de etanol que o eucalipto. O pré-tratamentos realizados com 4,5% de H 2 SO 4 foi o mais eficiente. O Artigo IV avalia o efeito da carga alcalina durante os pré-tratamentos alcalinos (5%, 10% e 15% NaOH) na composição química das biomassas e sua subsequente conversão em etanol. Observou-se que as maiores cargas alcalinas propiciaram as maiores remoções de lignina e carboidratos. Para pré- tratamentos alcalinos, o bagaço provou ser a biomassas mais promissora para produção de etanol. O pré-tratamento com 15% de NaOH foi o mais eficiente. O Artigo V apresenta a otimização do pré-tratamento de extração alcalina a frio (EAF) referente à temperatura (20oC, 30oC e 40oC), tempo de reação (10, 35 e 60 min.) e concentração de NaOH (70, 90 e 110 g L -1 ) com foco na remoção de xilanas das biomassas e subsequente conversão das biomassas deficientes em xilanas em etanol. As condições ótimas para a remoção de xilanas de madeira de eucalipto, bagaço e palha da cana-de- açúcar foram respectivamente: 40oC, 60 min. e 70 g L -1 de NaOH; 33oC, 60 min. e 110 g L -1 de NaOH; e 31oC, 55 min. e 110 g L -1 de NaOH. Nessas condições de pré- tratamentos, considerável quantidade de lignina também foi removida das biomassas. Para a madeira de eucalipto, a formação de pseudo-extrativos foi observada durante os pré-tratamentos de EAF. A palha da cana-de-açúcar pré-tratada por EAF foi a biomassa mais promissora para a produção de etanol de segunda geração. Para os pré-tratamentos de EAF, os maiores rendimentos em etanol foram obtidos para bagaço e palha da cana- de-açúcar que para a madeira de eucalipto. Em resumo, os resultados acumulados por essa tese de doutorado sugeriram que bagaço e palha são biomassas aplicáveis à produção de etanol de segunda geração. O uso dessas biomassas lignocelulósicas cria a possibilidade de integrar primeira e segunda plataformas para a produção de etanol, transformando resíduo em produto principal.
The ethanol has been considered a promising biofuel to replace fossil-based fuels. The strategic use of eucalyptus, sugarcane bagasse and sugarcane straw in second generation technology to ethanol production was investigated in this work, by performing various pretreatment processes followed by simultaneous saccharification and fermentation (SSF). In article I it is presented the chemical characterization of eucalyptus, sugarcane bagasse and straw before and after hydrothermal (H 2 O), diluted acid (4.5% H 2 SO 4 ) and alkaline (15% NaOH) pretreatments. It was determined that the significant amount of silica present in sugarcane bagasse and straw led to overestimation of Klason lignin of these biomasses. A novel approach to report the chemical composition of biomasses, based on the complete mass balance, was suggested and proved to be useful to assess both, raw materials and pretreated biomasses. The formation of pseudo-extractives in eucalyptus wood and pseudo-lignin in bagasse and straw as result of pretreatments was observed. Article II presents the chemical and structural characterization of xylans isolated from eucalyptus, bagasse and straw via two different methods, namely: peracetic acid delignification followed by dimethyl sulfoxide extraction and sodium chlorite delignification followed by dimethyl sulfoxide extraction. The xylan obtained from eucalyptus was identified as an O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan type, containing 39 acetyl groups units and 11 4-O-methylglucuronic acids per 100 units of xylose on the backbone. In addition, one 4-O-methylglucuronic acid was also substituted by one terminal galactosyl unit. The xylan obtained from bagasse and straw was an arabinoxylan type, which contained 100 xylose units: 29 acetyl groups units: 5 arabinofuranosyl units for bagasse, proporcionally, and 100 xylose units: 8 acetyl groups units: 6 arabinofuranosyl units for straw, proporcionally. Article III describes the effect of hydrothermal and diluted acid (1.5, 3.0 and 4.5% H 2 SO 4 ) pretreatments on the chemical composition of biomasses and their subsequent conversion into ethanol. It was observed that lowering pretreatment pH resulted in improved lignin and carbohydrates removal. The eucalyptus presented the highest ethanol production after hydrothermal pretreatment, but with relative low yield. After acid pretreatments, bagasse and straw showed higher ethanol productions then eucalyptus. The pretreatment performed at 4.5% H 2 SO 4 was the most efficient. Article IV assesses the effect of alkaline charge during alkaline (5, 10 and 15% NaOH) pretreatments on the chemical composition of biomasses and their subsequent conversion into ethanol. It was observed that higher alkaline charge provided the highest lignin and carbohydrates removal. For the alkaline pretreatments, the bagasse proved to be the most promising biomass for ethanol production. The pretreatment with 15% NaOH was the most efficient. Article V presents an optimization of the cold alkaline extraction (CAE) pretreatment regarding temperature (20oC, 30oC and 40oC), reaction time (10, 35 and 60 min) and NaOH concentration (70, 90 and 110 g L -1 ), focusing on xylan removal from biomasses and subsequent conversion of the xylan-depleted biomasses into ethanol. The optimal conditions for xylan removal from eucalyptus wood, sugarcane bagasse and sugarcane straw were, respectively: 40oC, 60 min and 70 g L -1 NaOH; 33oC, 60 min and 110 g L -1 NaOH; and 31oC, 55 min and 110 g L -1 NaOH. Under these pretreatments conditions, substantial amounts of lignin were also removed from the biomasses. For the eucalyptus wood, the formation of pseudo-extractives was observed during the CAE pretreatments. The sugarcane straw pretreated with CAE was the most promising biomass for production of second generation ethanol. For the CAE pretreatments, higher ethanol yields were achieved with sugarcane bagasse and straw in relation to eucalyptus wood. In summary, the results accumulated from this doctoral thesis suggested that bagasse and straw are suitable biomasses for production of second generation ethanol. The use of these lignocellulosic biomasses creates the possibility of integrating first and second platforms for ethanol production, which turns residues into main product.

碩士
國立宜蘭大學
環境工程學系碩士班
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To be a viable alternative, a biofuel should provide a net energy gain and be producible in large quantities without reducing food supplies. Taiwan locates in the subtropics and has excellent farming technology, thus producing abundant biomasses. However, this also results in a significant amount of agriculture wastes to be treated, with the rice straw contributing the most. From this reason, rice straw is chosen as the target material in this study. We use three energy indicators (overall thermal efficiency (ηE), energy return on investment (EROI) and net energy production ratios (NER)) to evaluate, through life-cycle accounting, energy produced from four kinds of thermo treatment technologies (radio-frequency plasma system (RFPS), microwave-induced system (MWS), downdraft gasifier system (DGS) and plasma torch system (PTS)). The energy life-cycle analysis (ELCA) includes energy inputs for rice straw collection, transportation, torrefaction, crushing, briquetting, energy production, condensation, air pollution control and distribution of biofuels to its point of end use. Energy types of products include syngas (CO+H2), methane, carbon dioxide and carbon black residue. Energy for every process and sub-step of the four processes are evaluated and proposed. The labor working hours of the 2nd generation energy plant is 8,000 hrs per year and capacities are simulated between 50,000 to 200,000 tonne. The distances of collection and transportation are calculated by a circle area of 50 to 100 kilometers diameter and 20 tonne truck is used. Also the on-site pretreatment of rice straw is evaluated. The results indicate that the transportation of rice straw takes major energy consumption and all above 90% of the average of the total input energy for every capacities and transportation distance for off-site pretreatment. As the capacity is increased, the energy consumption of transportation is expanded and the values of three energy indicators decrease. For on-site pretreatment, the three energy indicators increase drastically because the energy consumption of transportation decreases largely. Therefore, the energy input in the transportation of rice straw is a key point in the life-cycle process (LCP) and briquetting on-site for refused-derived fuel (RDF) to reduce the transportation energy is an alternative choice after the nature drying process using solar energy in the energy recovery of rice straw. The order of the three energy indicators is PTS＞DGS＞RFPS＞MWS. The optimum scenario case is using PTS with 50 kilometers diameter transportation, 80,000 tonne capacity and on-site pretreatment. For this optimum scenario case, the average of total input energy for the four assessed energy production systems in the life-cycle process (LCPEPS) is about 15.5% of the average output energy and the value of net energy balance (NEB) is 0.845. Every process of ELCA has positive energy benefit. The PTS of this optimum scenario case have the highest values of NER and EROI with the value of 8.86 and 7.86, respectively. And I-Lan County is a suitable location for building the biomass energy plant. In summary, to provide appropriate use of bio-energy sources, such as biomass wastes of rice straw, approaching the appeal to meet full recycling of biomass wastes and reducing greenhouse gas (GHG) emissions, also an ideal material in the 2nd generation biofuel plant.

PhD Thesis in Chemical Engineering submitted to the Faculty of Sciences and Technology of the University of Coimbra
The main objective was to contribute to the development of the syngas and lignin platforms, because syngas can be converted to chemical commodities identical to those nowadays derived from petroleum, while lignin is expected to be a source of new aromatic commodities for the industries of the future. The production of syngas was studied by two different strategies: (1) by the gasification of commercial charcoal and (2) by the oxidative steam reforming of glycerol. The production of new aromatic commodities from lignin was studied by (1) the fractionation of pinewood, followed by (2) the depolymerization of the obtained lignin and finally (3) the upgrading of the major of the product of lignin depolymerization (guaiacol). The commercial charcoal was gasified using air, oxygen, oxygen/steam mixtures. The effects of the equivalence ratio (ER) and steam to carbon ratio (S/C) on carbon conversion, producer gas yield, syngas yield, gas heating value and apparent energy efficiency (AEE) were also investigated. The gasification experiments were performed in a laboratory-scale fluidized bed rig at 900 ºC using γ-Al2O3 as bed material. The highest syngas yield and AEE were reached using a S/C=0.625 g/g and an ER=0.3. The lowest producer gas tar content was achieved using an ER=0.3 and a S/C=0.5 g/g, coinciding with the autothermal operation. The syngas production was also investigated via oxidative steam reforming of glycerol. Results obtained using different (bulk) bed materials (SiO2, SiC and γ-Al2O3) were compared against those achieved over a Co/Al catalyst dispersed in each of those bed fillers. The effects of each filler bed material, activation temperature (750-850 ºC) and reaction temperature (550-750 ºC) on conversion, gas production and syngas ratio were investigated, as well as the catalyst reuse. The best overall results in terms of total gas production, H2 production and syngas ratio were obtained with γ-Al2O3 in non-catalyzed experiments. The use of silica as bed filler in catalytic experiments allowed for the highest hydrogen production and syngas ratio. The lowest tested temperature allowed for the highest hydrogen production and H2/CO ratio. Upon regeneration and subsequent activation, the catalyst recovered its original structure and initial activity. In what concerns the lignin platform, Pinus pinaster wood (PPW) was fractionated by two different routes: (1) a two-step system by soda ethanol organosolv (SEOS) followed by lignin precipitation (LP) and (2) a three-step procedure encompassing autohydrolysis (AH) followed by SEOS and LP. In the two-step route, the effect of the ethanol concentration (15-55 wt.%) on pulps and lignins purities was studied. In the three-step system, the effects of AH temperature (160-180 ºC) and reaction time (30 and 60 min) on hemicelluloses removal were evaluated. Then the effects of the AH temperature (175 and 180 ºC) and the ethanol concentration (15-35 wt.%) on the purities of SEOS products were considered. Up to 81 wt.% of the cellulose and 66 wt.% of the lignin initially present in PPW were recovered in pulps and precipitates (respectively) by the two-step route. When the three-step fractionation was applied, up to 17 wt.% of the original biomass was recovered in the AH liquors, and pulps having hemicellulose and lignin contents as low as 3 wt.% and 5 wt.% (respectively) were obtained, simultaneously with LP products having lignin contents up to 98 wt.%. The depolymerization of the lignin produced by three-stage fractionation in was attempted using Ni and Cu catalysts supported on ZSM-5 zeolite and hydrotalcite. Commercial catalysts (Pd/C, Ru/C and Pt/Al2O3) and a Mo2C catalyst synthesized by carbeduction were also used. All the catalysts were tested at 200-250 ºC and 20 bar of H2 (initial pressure). Of those, Ru/C allowed to obtain the highest yield (3.5 wt.%) results and was selected for further studies. A two-step procedure was attempted, encompassing the first the base catalyzed depolymerization (at 220 and 250 ºC) followed by hydrogenolysis over Ru/C catalyst. The maximum monomer yield was achieved over Ru/C at 250 ºC for 30 min, and the major products were guaiacols. The hydrodeoxygenation (HDO) of guaiacol was studied using a molybdenum carbide (Mo2C) catalyst supported on commercial carbon nanofibers (CNF). The effects of temperature (300 and 350 ºC), initial pressure of H2 (20 and 30 bar) and reaction time (2 and 4 h) on the conversion of guaiacol and product yields were studied. The highest guaiacol conversion was achieved upon 4 h of reaction at 350 ºC. When the pressure was increased the conversion of guaiacol increased. The XRD analysis of spent catalysts did not reveal any significant changes as compared to the fresh catalyst. The major reaction products were cresols, xylenols and catechols.
O objectivo principal foi contribuir para o desenvolvimento das plataformas de gás de síntese e lignina, uma vez que o gás de síntese pode ser convertido em compostos quimicamente idênticos aos derivados do petróleo, enquanto a lignina poderá ser usada como fonte de novos compostos aromáticos para as indústrias do futuro. A produção de gás de síntese foi estudada por duas estratégias diferentes: (1) por gasificação do carvão vegetal e (2) por reformação oxidativa do glicerol. A produção de novos produtos aromáticos a partir da lignina foi estudada por (1) fraccionamento da madeira de pinheiro, seguido por (2) despolimerização da lignina obtida e, finalmente, (3) o upgrading do principal produto de despolimerização da lignina (guaiacol). O carvão vegetal foi gasificado com o objectivo de produzir gás de síntese usando ar, oxigénio puro e misturas de oxigénio/vapor como agentes de gasificação. Os efeitos da razão de equivalência (ER) e da razão vapor/carbono (S/C) na conversão da fracção de carbono do carvão vegetal, no rendimento a gás produto, no rendimento a gás de síntese, no poder calorífico e composição do gás produto e na eficiência energética aparente (AEE) também foram estudados. Os testes de gasificação foram realizados numa unidade laboratorial de leito fluidizado a 900 ºC usando γ-Al2O3 como leito. Os maiores rendimentos de gás de síntese e a maior AEE foram alcançados usando uma S/C=0,625 g/g e uma ER=0,3. O menor teor de alcatrão do gás produto coincidiu com as condições de operação autotérmica. A produção de gás de síntese foi estudada por reformação oxidativa de glicerol. Os resultados obtidos usando diferentes leitos de enchimento (SiO2, SiC e γ-Al2O3) foram comparados com os resultados obtidos usando um catalisador de Co/Al disperso em cada um dos daqueles leitos. Os efeitos do material do leito de enchimento, da temperatura de activação (750-850 ºC) e da temperatura de reacção (550-750 ºC) na conversão e produção de gás foram estudados, bem como a reutilização do catalisador. Os melhores resultados em termos de produção total de gás, produção de H2 e razão de gás de síntese foram obtidos usando um leito γ-Al2O3. O uso de sílica como leito em testes catalíticos permitiu maior produção de hidrogénio e o aumento da razão de gás de síntese. A menor temperatura testada permitiu a maior produção de hidrogénio e a mais alta razão de gás de síntese. Após a regeneração e subsequente activação, o catalisador recuperou sua estrutura original e actividade inicial. Madeira de pinheiro bravo (PPW) foi fraccionada por duas vias diferentes: (1) um sistema em duas etapas por soda etanol organosolv (SEOS) seguido por precipitação de lignina (LP) e (2) um procedimento em três etapas englobando auto-hidrólise (AH) seguido por SEOS e LP. No fraccionamento em duas etapas foi estudado o efeito da fracção mássica de etanol no licor de cozimento (15-55 wt.%) na pureza das pastas e ligninas obtidas. No sistema de três etapas foram avaliados os efeitos da temperatura de AH (160-180 ºC) e do tempo de reacção (30 e 60 min) na remoção de hemiceluloses. Em seguida, foram estudados os efeitos da temperatura AH (175 e 180 ºC) e da concentração de etanol (15-35 wt.%) na pureza das pastas e das ligninas obtidas. No fraccionamento em dois passos, até 81 wt.% da celulose e 66 wt.% da lignina foram respectivamente recuperados nas pastas e nos precipitados. No fraccionamento em três etapas, até 17 wt.% da biomassa de PPW original foi recuperada nos licores de AH, as pastas apresentaram teores de hemicelulose e lignina tão baixos quanto 3 wt.% e 5 wt.%, enquanto os produtos LP apresentaram teores de lignina até 98 wt.%. A despolimerização da lignina produzida por fraccionamento em três etapas foi estudada usando catalisadores de Ni e Cu por impregnação em zeólita ZSM-5 e hidrotalcita. Foram também usados catalisadores comerciais (Pd/C, Ru/C e Pt/Al2O3) e um catalisador de Mo2C sintetizado por carborredução. Todos os catalisadores foram testados a 200-250 ºC e 20 bar de H2 (pressão inicial). Destes, o catalisador de Ru/C permitiu obter maior rendimento e foi seleccionado para estudos posteriores. Foi tentado um procedimento de despolimerização em duas etapas, englobando a despolimerização catalisada por base (a 220 e 250 ºC) seguida de hidrogenólise com o catalisador Ru/C (a 250 ºC). O rendimento máximo de monómeros foi alcançado com Ru/C a 250 ºC por 30 min, e os principais produtos foram guaiacóis. A hidrodesoxigenação (HDO) de guaiacol foi estudada com um catalisador de Mo2C suportado em nanofibras de carbono (CNF). Foram estudados os efeitos da temperatura (300 e 350 ºC), da pressão inicial de H2 (20 e 30 bar) e do tempo de reacção (2 e 4 h) na conversão do guaiacol e no rendimento dos produtos. A maior conversão de guaiacol foi alcançada após 4 h de reacção a 350 ºC e 20 bar de H2. Quando a pressão foi aumentada a conversão do guaiacol aumentou após 2 h de reacção a 350 ºC. A análise de XRD do catalisador usado não revelou mudanças significativas na estrutura em comparação com o catalisador fresco. Os principais produtos da reacção foram cresóis, xilenóis e catecóis.

The carboxylate biofuels platform (CBP) involves the conversion of cellulosic biomass into carboxylate salts by a mixed microbial community. Chemical engineering approaches to convert these salts to a variety of fuels (diesel, gasoline, jet fuel) are well established. However, prior to initiation of this project, little was known about the influence of inoculum source on platform performance. The studies in this dissertation test the hypothesis that microbial communities from particular environments in nature (e.g. saline and/or thermal sediments) are pre-adapted to similar industrial process conditions and, therefore, exhibit superior performances. We screened an extensive collection of sediment samples from extreme environments across a wide geographic range to identify and characterize microbial communities with superior performances in the CBP. I sought to identify aspects of soil chemistry associated with superior CBP fermentation performance. We showed that CBP productivity was influenced by both fermentation conditions and inocula, thus is clearly reasonable to expect both can be optimized to target desired outcomes. Also, we learned that fermentation performance is not as simple as finding one soil parameter that leads to increases in all performance parameters. Rather, there are complex multivariate relationships that are likely indicative of trade-offs associated within the microbial communities. An analysis of targeted locus pyrosequence data for communities with superior performances in the fermentations provides clear associations between particular bacterial taxa and particular performance parameters. Further, I compared microbial community compositions across three different process screen technologies employed in research to understand and optimize CBP fermentations. Finally, we assembled and characterized an isolate library generated from a systematic culture approach. Based on partial 16S rRNA gene sequencing, I estimated operational taxonomic units (OTUs), and inferred a phylogeny of the OTUs. This isolate library will serve as a tool for future studies of assembled communities and bacterial adaptations useful within the CBP fermentations. Taken together the tools and results developed in this dissertation provide for refined hypotheses for optimizing inoculum identification, community composition, and process conditions for this important second generation biofuel platform.

Dissertação de Mestrado em Energia para a Sustentabilidade apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
O estilo de vida actual exige um crescente consumo de energia que conduz a uma depleção acelerada de recursos naturais.A utilização intensiva de combustíveis fósseis afasta-nos cada vez mais de uma situação sustentável em termos de fontes energéticas, originando consequências gravosas em relação à poluição do planeta, nomeadamente, através do efeito estufa, o que tem provocado alterações climáticas claramente já bem perceptíveis.A procura de fontes sustentáveis de energia é pois um tema de maior relevância da actualidade e a razão de ser desta tese.O estudo desta dissertação tem como objetivo analisar o potencial de produção e a viabilidade económica de exploração dos recursos lenhocelulósicos da biomassa residual da palha de cana-de-açúcar no Brasil, e da biomassa florestal residual em Portugal. A segunda geração de biocombustíveis, especificamente a produção gás natural sintético através da gaseificação foi o caminho escolhido, com a suposta unidade trabalhando sozinha e anexada a uma fábrica de papel e celulose, analisando seus respectivos desempenhos nas duas regiões.Para as duas regiões considerou-se cinco capacidades diferentes de processamento, nomeadamente, 10, 50, 100, 200 e 300 MWth.Dado que o potencial de disponibilidade de biomassa dos dois países é muito díspar, calculou-se também a área necessária em hectares para os cinco cenários de produção. Em termos de análise económica considerou-se os indicadores de valor actual liquido (VAL), taxa interna de retorno (TIR) e payback descontado (PBD), com valores de taxas de juros ajustadas aos países em causa. Assim tomaram-se os valores de 6, 8 e 12,15% para o Brasil e 2, 4 e 6% para Portugal.No sentido de tornar a rota de conversão (gaseificação) mais atrativa, e como sugestão aos agentes de decisão, discutiu-se e elaborou-se uma possível política de incentivos, baseada em subsídios.Ao final do trabalho conclui-se que o cenário Brasileiro em termos de disponibilidade de biomassa e área a se explorar é muito maior que e o de Portugal, mas em termos económicos Portugal leva larga vantagem para um eventual investimento, devido às baixas taxas de juros que são trabalhadas no país.Contudo a rota de produção de gás natural sintético através da gaseificação ainda está em um estágio muito prematuro de desenvolvimento, necessitando de massivo investimento em I&D e incentivos governamentais para se tornar uma rota consolidada de produção na segunda geração de biocombustíveis.
The current lifestyle requires an increasing energy consumption that leads to an accelerated depreciation of natural resources.The intensive use of fossil fuels is increasingly taking us out of a sustainable energy source, leading to serious consequences for the planet's pollution, notably through the greenhouse effect, which has brought about clear and noticeable climate change.The search for sustainable sources of energy is therefore a topic of greater relevance today and the main raison of this thesis.The aim of this dissertation is to analyze the production potential and economic feasibility through the exploitation of the lignocellulosic resources from the residual biomass sugarcane straw in Brazil and the residual forest biomass in Portugal.The second generation of biofuels, specifically the production of synthetic natural gas through gasification was the chosen path, with the supposed factory working in two scenarios: alone and attached to a pulp and paper mill, analyzing their respective performances in the two regions.For the two regions five different processing capacities were considered, namely, 10, 50, 100, 200 and 300 MWth.Given that the biomass availability potential of the two countries is very wide, the area required in hectares for the five production scenarios was also calculated.In terms of economic analysis, was considered the indicators of net present value (NPV), internal rate of return (IRR) and discounted payback (DPB), with interest rate adjusted to the countries concerned. Thus, the values of 6, 8 and 12,15% were taken for Brazil and 2, 4 and 6% for Portugal.In order to make the conversion route (gasification) more attractive, and as a suggestion to decision makers, a possible subsidy-based incentive policy was discussed and elaborated.At the end of the study, the results displayed a larger advantage of Brazil over Portugal in terms of biomass for area to be explored, meantime Portugal present a huge advantage over Brazil in economic terms for a eventual investment due the low interest rates worked at the country.However, the natural gas production route through gasification is still at a very early stage of development, requiring massive investment in R & D and government incentives, to become a consolidated route of production in the second generation of biofuels.