Teses - Bioenergia - IPB

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  • ItemTese de doutorado
    Valorization of expired dairy products by anaerobic digestion
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-06-30) Marin, Danieli Fernanda Canaver ; Maintinguer, Sandra Imaculada ; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    The dairy industry is an important sector of the food industry, producing 928 million tons of milk in 2021. However, this sector is responsible for generating a high amount of waste, such as expired dairy products (EDP). Currently, the main destination of EDP are their disposal in landfills, causing environmental problems due to their high organic matter content. In this sense, this study proposed to evaluate strategies for using and valorizing EDP, transforming them into resources for bioproducts generation from anaerobic digestion (AD). As the first strategy, an autochthonous mixed culture was obtained from EDP using anaerobic batch reactors with All Purpose Tween (APT) culture medium as substrate. The Lactobacillus genus was identified with the highest relative abundance in the obtained culture with 78.4%. Subsequently, the autochthonous mixed culture was evaluated in anaerobic reactors using different substrates (xylose, arabinose, fructose, maltose, glucose, rhamnose, lactose, sucrose, EDP, and banana processing wastewater (BPW)). The mixed autochthonous culture grew on all tested substrates, with high carbohydrate removal (57.6-97.0%), producing lactic acid (LA) as the predominant soluble metabolite (2.40-7.85 g L-1). The highest LA yield was obtained from BPW with 0.98 g g-1. As the second strategy, it was evaluated the co-digestion of EDP with synthetic sewage (SS) in single-stage anaerobic reactors. Five assays were performed with the following percentages of EDP in the substrate mixture (1) 0%, (2) 5.0%, (3) 7.5%, (4) 10.0%, and (5) 15, 0% (v/v). Higher COD removal (89.2%) and higher CH4 production (6583.6 NmL L-1) were verified in Assay 4 (10.0% EDP). Higher CH4 yield were obtained in Assay 3 (7.5% EDP) with 332.6 NmL gVSadd-1. Acetoclastic (Methanosaeta) and hydrogenotrophic (Methanolinea, Methanoregula, and Methanobacterium) archaea were identified in assays 2, 3, and 4 (5.0% to 10.0% EDP), which probably contributed to the high efficiency of organic matter removal and high methane production. Assay 5 (15.0% EDP) was inhibited due to the accumulation of volatile acids in the anaerobic reactors. As the last strategy, the co-digestion of EDP with SS was evaluated from two-stage anaerobic systems. In the first stage (acidogenic reactors), three assays were assembled with the following substrate composition (v/v): (1) 10% EDP + 90% SS, (2) 15% EDP + 85% SS, and (3) 20% EDP + 80% SS. The liquid effluents generated at the end of the acidogenic stage of assays 1, 2, and 3 were used as substrates in the second stage (methanogenic reactors), corresponding to tests 4, 5, and 6, respectively. In the first stage, higher carbohydrate removal (92.3%) and higher hydrogen production (1309.3 NmL Lr-1) were obtained in Assay 3 (20% EDP + 80% SS). In the second stage, higher COD removal (94.7%) and methane production (6813.4 NmL Lr-1) were verified in Assay 5 (15% EDP + 85% acidified SS). Assay 6 (20% EDP + 80% acidified SS) was inhibited due to the accumulation of volatile fatty acids (11427.9 mg L-1), mainly acetic acid (8455.6 mg L-1). Thus, the experimental approaches of the studies carried out offer promising opportunities for EDP valorization through its application in biological processes. In addition, the use of expired dairy waste can contribute to its recovery by providing bioproducts and biofuels obtained from renewable sources.
  • ItemTese de doutorado
    Organosolv pretreatment assessment on fruit waste to obtain platform chemicals and bioplastics
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-05-29) Zamora, Hernán Darío Zamora ; Brienzo, Michel ; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Esta pesquisa consistiu em duas fases principais, a primeira relacionada com avaliar os efeitos de um pré-tratamento organossolve etanólico catalisado por álcali (OHEOP) na composição e estrutura lignocelulósica (LC) do pseudocaule de bananeira e da torta de semente de goiaba, e na obtenção de uma fração rica em celulose (CL), hemiceluloses (HC) e lignina (LG). E, a segunda fase relacionada com a produção e caracterização de bioplásticos com base em quitosana (Ch) e adição de HC e LG extraídos de pseudocaule de bananeira e da torta de semente de goiaba. Na primeira fase, a avaliação do OHEOP foi realizada por meio de um planejamento composto central 23. Os fatores do planejamento foram a concentração do álcali (OHC) em relação à massa do resíduo, temperatura (T), e concentração da solução aquosa de etanol (EC), e as variáveis de resposta foram o rendimento mássico de HC extraídas (HCy), o rendimento mássico de LG extraída (LGy) e a conversão de celulose (CLX). Além disso, o OHEOP envolveu caracterizações químicas dos resíduos pré-tratados e não tratados, e hidrólise enzimática (Cellic® CTec2). As HC e LG extraídas foram analisadas por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), comparando-as com produtos comerciais. Com um nível de confiança de 95%, a T foi o fator com maior influência nas variáveis de resposta. Para o pseudocaule de bananeira, 78% correspondeu ao máximo HCy (a 170 ºC, EC de 30%, e OHC de 60%), 35.2% para LGy (a 170 ºC, EC de 30%, e OHC de 10%) e 96.6% para CLX (a 120 ºC, EC de 70%, e OHC de 60%). E, no caso da torta de semente de goiaba, 97.3% foi o mais alto HCy (a 170 ºC, EC de 30%, e OHC de 60%), 45.0% para LGy (a 170 ºC, EC de 30%, e OHC de 60%), e 50.3% para CLX (a 170 ºC, EC de 30%, e OHC de 60%). Na segunda fase, bioplásticos foram produzidos pelo método casting, apresentando uma estrutura homogênea, flexível, e sem rachaduras, e tendo a intensidade da cor aumentando proporcionalmente com a massa de HC e LG adicionadas. Os bioplásticos com adição de 10, 5, e 25% de HC apresentaram maior teor de umidade (22.3%), solubilidade em água (22.4%), e opacidade (1.95 mm-1), respetivamente. A adição de 10% de LG no bioplástico resultou nas maiores percentagens de umidade (19.4%) e opacidade (4.75%). A adição de HC e LG melhorou a resistência à tração e o módulo de Young, enquanto o inchamento dos bioplásticos reduziu. A análise termogravimétrica revelou que a degradação dos bioplásticos ocorreu em quatro etapas diferentes; a primeira de evaporação de água e ácido acético, a segunda de degradação de glicerina, a terceira de despolimerização de HC, Ch e LG, e a última correspondente à etapa de carbonização. De acordo com os resultados o OHEOP permitiu extrair HC e LG semelhantes aos encontrados comercialmente, e estes componentes como aditivos na produção de bioplásticos contribuíram com a melhoria em algumas propriedades, com potencial para aplicação na indústria de alimentos ou na medicina.
  • ItemTese de doutorado
    Síntese e aplicação de nanopartículas de Fe3O4, Fe0 e NiFe2O4 na digestão anaeróbia do glicerol bruto
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-08-09) Boscaro, Mateus Eugenio ; Maintinguer, Sandra Imaculada ; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    O uso de aditivos nanoparticulados nos processos de digestão anaeróbia de resíduos agroindustriais e os efeitos de nanopartículas metálicas em comunidades microbianas e na produção de biogás são temas de grande interesse, mas ainda pouco explorados no Brasil. A indústria do biodiesel gera como principal resíduo o glicerol bruto, que possui elevada demanda de oxigênio e quantidades substanciais de impurezas como metanol, ácidos graxos, sabões e outros compostos orgânicos e inorgânicos. Por esse motivo, o glicerol bruto tem sido utilizado por muitos pesquisadores como substrato para a produção de biogás. Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi produzir em laboratório nanopartículas de magnetita (Fe3O4), ferro zero-valente (Fe0) e ferrita de níquel (NiFe2O4), estáveis e atóxicas e utilizá-las como aditivos em processos de digestão anaeróbia de glicerol bruto visando elevar as eficiências de geração de metano. As nanopartículas de Fe3O4 e NiFe2O4 foram sintetizadas pelo método da coprecipitação e estabilizadas com citrato ([C6H5O7]3-). As nanopartículas de Fe0 foram sintetizadas pelo método de redução de íons de ferro por borohidreto de sódio (NaBH4) e estabilizadas com citrato. As nanopartículas obtidas foram caracterizadas por Espectroscopia por Energia Dispersiva (EDS), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espalhamento Dinâmico de Luz (DLS). Os métodos utilizados para síntese in loco de nanopartículas produziram Fe3O4 com diâmetro inferior a 20 nm e Fe0 e NiFe2O4 com diâmetros entre 50 e 100 nm. Reatores anaeróbios em batelada de 500 mL (250 mL de volume reacional), inoculados com lodo granular anaeróbio, foram utilizados para avaliar a influência de diferentes concentrações de nanopartículas de Fe3O4, Fe0 e NiFe2O4 na digestão anaeróbia do glicerol bruto proveniente da produção de biodiesel. Reatores controle também foram montados sem a adição de nanopartículas. A produção de biogás foi quantificada pelos métodos de deslocamento de volume, a composição por cromatografia gasosa e os consumos de matéria orgânica por quantificação de demanda química de oxigênio (DQO). Nos reatores anaeróbios suplementados com nanopartículas de Fe3O4 e Fe0, em concentrações de 200, 400 e 800 mg L-1, foi observado efeito positivo na produção acumulada de metano, taxa máxima de produção de metano e remoção de DQO, quando comparados aos reatores controle. Foram verificados aumentos de 49,8% na produção acumulada de CH4 nos reatores com 200 mg-Fe3O4 L-1, de 36% da taxa máxima de produção de CH4 nos reatores com 400 mg-Fe0 L-1 e de 50% na remoção de DQO nas primeiras 170 horas de operação nos reatores com 200 mg-Fe0 L-1. Nanopartículas de NiFe2O4 não apresentaram efeito significativo na digestão anaeróbia do glicerol bruto para os reatores com 200 e 400 mg-NiFe2O4 L-1. Além disso, foi verificado efeito deletério, com redução de 30% na produção de metano e remoção de DQO nos reatores operados com 800 mg-NiFe2O4 L-1. Também foi observado aumento substancial na abundância relativa dos Domínios Bacteria e Archaea, especialmente as ordens Bacteroides, Clostridiales, Methanomicrobiales e Methanosarcinales, após suplementação com nanopartículas de Fe3O4. A adição de nanopartículas de Fe3O4 favoreceu as comunidades de bactérias e arqueias envolvidas no consumo do glicerol, elevando a produção de CH4.
  • ItemTese de doutorado
    Produção de polihidroxialcanoatos por Burkholderia glumae MA13: um conceito associado à indústria de biocombustíveis
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-04-30) de Paula, Carolina Bilia Chimello ; Contiero, Jonas ; de Paula-Elias, Fabrício Coutinho ; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Os polihidroxialcanoatos (PHAs) são poliésteres microbianos sintetizados como grânulos intracelulares por representantes dos domínios Bacteria e Archaea. Os PHAs são uma família de bioplásticos de origem biológica, totalmente biodegradáveis e compostáveis, gerando um solo rico em humus, além de ser biocompatíveis, característica atrativa para aplicações médicas e farmacêuticas. Os PHAs também atendem a especificações padrão para degradação em ambientes marinhos. Dessa forma, os PHAs são candidatos promissores para aplicações em produtos descartáveis ou de curta de vida de uso. Um conceito de biorrefinaria para biocombustíveis e bioplásticos tem sido proposto por vários autores como um processo integrado, com o objetivo de viabilizar ambas as indústrias como uma cadeia produtiva parcialmente ou totalmente independente dos derivados do petróleo. Neste contexto, Burkholderia glumae MA13 foi capaz de sintetizar PHAs a partir de fontes de carbono e subprodutos relacionados à indústria de biocombustíveis: sacarose; xilose; melaço, vinhaça e hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar; óleos de palma, babaçu, mamona e residual de fritura; e sebo bovino. Além disso, a produção de PHAs foi avaliada utilizando diferentes fontes de nitrogênio: (NH4)2SO4, (NH4)H2PO3, (NH4)2HPO3, NH4Cl, NaNO3, NH4NO3, ureia, extrato de levedura, autolisado de levedura e levedura seca inativa. Entre os insumos da indústria sucroalcooleira, o melaço sem pré-tratamento foi a melhor fonte de carbono, mesmo comparado à sacarose pura, com valores de acúmulo intracelular de polímero de 41-47% (m/m) da massa seca celular (% MSC). A adição de 25% (v/v) de vinhaça de cana-de-açúcar ao meio de cultivo contendo melaço resultou em valores de acúmulo de polímero de 45% MSC e um rendimento de 0,18 g/g, o que é econômico e ecologicamente interessante para a economia de água tratada para os processos industriais, além de oferecer um uso reciclado para a vinhaça, ao invés do descarte inapropriado deste subproduto em corpos de água e no solo. A produção de PHAs a partir de insumos relacionados à indústria de biodiesel resultou em um acúmulo intracelular máximo de polímero de 85% MSC a partir de óleo de palma. A produtividade volumétrica máxima de 0,16 g/(L.h) também foi obtida a partir deste insumo adicionado de uréia, após 56 h. A adição de ácido propiônico aos meios de cultivo resultou no copolímero P(3HB-co-3HV) com 18 e 21 mol% de 3HV em meios contendo óleo de babaçu e mamona, respectivamente. A atividade lipolítica foi detectada nos cultivos com insumos da indústria de biodiesel atingindo um valor máximo de 481 U/mL. A análise por espalhamento de luz estático (SLS) apresentou polímeros com massas moleculares médias variando de 1,3 x 105 a 2,7 x 105 Da. A calorimetria exploratória diferencial (DSC) revelou polímeros com temperaturas de fusão em uma faixa de 147-165°C, e a análise termogravimétrica (TGA) mostrou temperaturas iniciais de degradação térmica de 230-297 °C. Neste estudo, B. glumae MA13 demonstrou ser uma linhagem bacteriana promissora para a síntese de PHAs a partir de diferentes insumos relacionados à indústria de biocombustíveis, favorecendo um conceito de biorrefinaria com bioprodutos agregados à cadeia de produção de biocombustíveis, com benefícios ecológicos em um modelo sustentável.
  • ItemTese de doutorado
    Strategies to improve the conversion of sugarcane bagasse into second generation ethanol
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-03-25) Igbojionu, Longinus Ifeanyi ; Laluce, Cecília ; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    O etanol de segunda geração a partir da biomassa lignocelulósica é uma solução renovável e sustentável para os problemas ambientais decorrentes das grandes demandas de energia da sociedade moderna. Bagaço de cana-de-açúcar (SB), uma lignocelulose composta por dois grandes polímeros de açúcar (celulose e hemiceluloses) ligados à lignina. Devido à natureza recalcitrante do SB, o pré-tratamento é considerado uma etapa fundamental do processo antes de ser convertido em biomoléculas. SB bruto consiste em celulose (40,4% em peso), hemicelulose (23,8% em peso), lignina (27,2% em peso), cinzas (3,0% em peso) e extrativos (4,4% em peso). O pré-tratamento de SB com NaOH a 3% e NaOH a 8% em autoclave (121 oC) e à temperatura ambiente, respectivamente, levou a aumentos nas frações celulósicas (aproximadamente 62,0% em peso), enquanto o conteúdo de lignina diminuiu para valores inferiores a 11,0% em peso. O NaOH sequencial em duas etapas e o pré-tratamento com ácido resultaram em aumentos substanciais nas frações celulósicas (aproximadamente 80,0% em peso), que foi cerca de duas vezes o valor obtido a partir de SB não tratado (40,4% em peso). O conteúdo de hemicelulose de SB diminuiu substancialmente após o pré-tratamento da segunda etapa com ácido (ácido maleico e sulfúrico). No entanto, o índice de cristalinidade aumentou substancialmente após diferentes pré-tratamentos foram aplicados ao SB. A sacarificação enzimática do SB pré-tratado levou a rendimentos de glicose acima de 75% (g/g) em comparação com 27% (g/g) obtidos do SB não tratado após 72 h. A otimização da hidrólise enzimática resultou em rendimento máximo de glicose de 85,9% (g/g) pela aplicação de 1,8 FPU/g de celulose de celulose, 5,3% de carregamento de sólidos e 48 h de tempo de hidrólise. Por outro lado, a hidrólise ácida em duas etapas do SB pré-tratado resultou em um rendimento máximo de glicose de 56,8% (g/g). A otimização da hidrólise ácida em duas etapas aplicando ácido sulfúrico a 1,5%, FeSO4 40,0 mmol/L e 120 min na segunda etapa de hidrólise resultou em um rendimento máximo de glicose de 90,0% (g/g) e um valor de rendimento de glicose previsto de 88,9%. Após a validação, os valores experimentais e preditos de rendimento de glicose foram de 88,6% e 86,5%, respectivamente. Além disso, os hidrolisados ácidos obtidos continham baixa quantidade de compostos inibidores (furfural e 5-hidroximetilfurfural). Tanto o ácido quanto o hidrolisado enzimático foram eficientemente utilizados por Saccharomyces cerevisiae IQAr/45-1 para atingir rendimentos de etanol de 0,43 g/g e 0,46 g/g, respectivamente. No entanto, quantidades consideráveis de açúcar residual permaneceram no final da fermentação, indicando a incapacidade de S. cerevisiae IQAr/45-1 em metabolizar o açúcar pentose presente nos hidrolisados. Assim, o uso de levedura geneticamente modificada com a capacidade de utilizar simultaneamente os açúcares hexose e pentose melhorará ainda mais o processo de fermentação. Em conclusão, os processos que envolveram o uso de reagentes químicos baratos para superar a recalcitrância de SB e liberar açúcares fermentáveis poderiam potencialmente apoiar uma biorrefinaria e reduzir significativamente o custo do etanol de segunda geração.
  • ItemTese de doutorado
    Sistemas sustentáveis de cultivo de Chlorella vulgaris a partir de efluentes de aquicultura
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2020-12-21) Viana, Charlene Raquel de Almeida ; Ramos, Ricardo Alan Verdú ; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A busca por estratégias destinadas ao reaproveitamento de nutrientes gerados por efluentes de água de aquicultura tem crescido, como também estudos para sua utilização em cultivos de microalgas que possuem alto potencial de absorção desses nutrientes. Dentre as opções de aquicultura, existem poucos trabalhos com águas de piscicultura e ranicultura para produção de microalgas. Assim, a integração do meio de cultura e da diluição dessas águas de aquicultura para o cultivo de Chlorella vulgaris em fotobioreatores foi o aspecto a ser considerado no presente estudo. As condições para o ensaio foram os meios Illman, águas residuárias de piscicultura de baixa densidade (APBD), águas residuárias de piscicultura de alta densidade (APAD) e águas residuárias de ranicultura (AR), concentrando-os a 5, 20, 35 e 50 %; no esquema fatorial 4 x 4, ou seja água de aquicultura com as diferentes concentrações, em triplicata para reduzir erros sistemáticos e garantir reprodutibilidade ao estudo. Foram monitorados parâmetros que influenciam o cultivo das microalgas (pH, amônia, turbidez e clorofila) e analisados parâmetros de desempenho do cultivo (biomassa seca, lipídeos, carboidratos, proteínas e cinzas). Foi verificado que o efluente de aquicultura diluído é uma via eficiente para o cultivo mixotrófico de C. vulgaris em fotobioreatores. O cultivo de microalga em APBD otimizou a produção de proteínas na concentração de 50 %, viabilizando a fabricação de alimentos funcionais e rações para animais. A AR na concentração de 5%, é um meio, com boa potencialidade de produção de hidratos de carbono, substratos de industrialização de bioetanol, biogás e bioprodutos de valor agregado. APAD a 5 % e AR a 20 % maximizaram produção de biomassa seca, 0,35 e 0,40 mg/l, respectivamente. Os maiores teores de lipídeos totais (29,50 e 26,10 %, respectivamente) foram obtidos nos meios Illman a 35 % e APBD a 5 %. A melhor opção de substrato alternativo à produção de material graxo para a produção de biodiesel de terceira geração seria APAD. Assim, foi comprovado que a diluição, em conjunto com o meio de cultivo, pode reduzir tanto a toxicidade como a turbidez do efluente, assegurando, ao mesmo tempo, tanto a exequibilidade como a viabilidade do efluente de aquicultura como um meio alternativo para maximizar a produção de biomassa coletável e, consequentemente, de lipídeos, proteínas e clorofilas, para potencialmente produzir biocombustíveis de terceira geração, rações e produtos químicos finos.
  • ItemTese de doutorado
    Fracionamento de levedura residual cervejeira para produção de biomoléculas de alto valor agregado
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2020-06-26) Alves, Edson Marcelino ; Oliva Neto, Pedro de ; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Atualmente, a biomassa de levedura é um resíduo subutilizado da indústria cervejeira. Além disso, o uso dessa biomassa pode ser uma fonte econômica para a extração de vários compostos, como extrato de levedura, proteínas, β-frutofuranosidase, RNA e 5'-ribonucleotídeos, subprodutos com amplas aplicações na indústria farmacêutica e de alimentos. Diante dessas questões, o objetivo deste trabalho foi estudar e propor uma metodologia integrada para o fracionamento de levedura residual cervejeira em diversas biomoléculas de alto valor agregado. Para isso, os potenciais biotecnológicos da utilização de leveduras são revisados no Capítulo 1. O Capítulo 2 apresenta os resultados dos estágios iniciais de preparação e caracterização da levedura da indústria cervejeira, bem como a avaliação de parâmetros de autólise para maximizar a extração de RNA para subsequente produção de 5'-ribonucleotídeos. O Capítulo 3 descreve o uso de choque ácido no início da autólise, a fim de acelerar o processo autolítico e a extração de proteínas. Os resultados da hidrólise enzimática do RNA para a produção de 5'-ribonucleotídeos usando 5'-fosfodiesterase proveniente de radícula de malte de cevada são apresentados no Capítulo 4. A recuperação da enzima extracelular da β-frutofuranosidase como o primeiro subproduto antes da autólise e estudos sobre sua imobilização em microesferas de alginato de sódio e carvão ativado são descritas no Capítulo 5. Por fim, é proposta no Capítulo 6 uma análise econômica, bem como um projeto de planta de bioprocesso para o processamento de leveduras, a fim de determinar a rentabilidade e viabilidade financeira da a metodologia desenvolvida neste trabalho. A abordagem proposta indica uma excelente estratégia, uma vez que um melhor uso de levedura residual de processos fermentativos pode abrir uma gama de aplicações e agregar valor a esse produto, tornando os setores industriais mais rentáveis.
  • ItemTese de doutorado
    Development of the bioprocess of ethanol production from starch residues using amylolytic enzymes produced by Rhizopus oligosporus CCT 3762
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2019-12-16) Escaramboni, Bruna ; Oliva Neto, Pedro de ; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Esta tese propõe algumas rotas biotecnológicas considerando os desafios envolvidos na produção e aplicação de enzimas fúngicas e glicose, bem como novas perspectivas para a produção de etanol utilizando matérias-primas alternativas. Inicialmente, a análise dos dados por mínimos quadrados parciais (PLS) demonstrou a correlação positiva entre a produção de amilase por Rhizopus oligosporus e a suplementação do meio de fermentação em estado sólido (FES) com nitrogênio orgânico. O extrato amilolítico apresentou desempenho competitivo e maior produtividade na hidrólise do amido do que uma glucoamilase comercial. A amilase produzida foi aplicada (15 U/g) no bagaço de mandioca (BM) para obtenção do hidrolisado de bagaço de mandioca (HBM) resultado de 42% de conversão do BM em açúcares redutores com uma hidrólise em etapa única de 10 h à 55°C. O HBM concentrado foi utilizado para fermentação alcoólica em batelada alimentada, produzindo 89,2% de rendimento. Além disso, comparando-se apenas o custo das matérias-primas, o HBM demonstrou ser mais econômico para a fermentação alcoólica do que a cana-de-açúcar. Em sequência, foi aplicado um planejamento fatorial em três níveis para otimizar a proporção enzimática de 0-30 U/g na hidrólise. Na condição otimizada 61,67% de BM foi convertido em glicose. Uma mistura sinérgica adequada reduziu 2 vezes a proporção de amilases (15 U/g) e 3 vezes para celulases (5 FPU/g), convertendo 51,79% do BM. Modificações na superfície do BM causadas pela ação enzimática foram evidenciadas por microscopia eletrônica de varredura. A hidrólise de 15% BM em biorreator produziu elevado teor de glicose (90,87 g/L; YP/S = 0,50 g/g). Além disso, o HBM foi aplicado para produzir 35,25 g/L de etanol (eficiência de 78,3%). Com isso, o bioprocesso proposto produziria 254,1 L de etanol por tonelada de BM seco em 48 h, incluindo hidrólise e fermentação alcoólica. Finalmente, um tratamento biológico de resíduos alimentares via FES foi proposto para a produção de amilases e proteases por R. oligosporus. A maior produção ocorreu com: 50% de resíduo alimentar (RA), 10% de bagaço de cana (BC) e 40% de farelo de trigo (FT), suplementado com solução salina, para amilases, e acrescido de 20% (v/m) de água de maceração de milho, para produção de proteases. A suplementação com água de maceração de milho foi adequada como alternativa à solução de sais e o reciclo de biomassa e fibras não hidrolisadas foi capaz de aumentar o rendimento de amilase e protease. O extrato enzimático foi efetivo para hidrolisar o RA, alcançando 36,44% de conversão e um hidrolisado com 47,10 g/L de açúcares redutores.
  • ItemTese de doutorado
    Green stabilization of nanoscale zero-valent iron (nZVI) with rhamnolipids produced by agro-industrial waste: application on nitrate reduction
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2019-09-13) Moura, Cinthia Cristine de ; Contiero, Jonas ; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A contaminação ambiental causada por compostos orgânicos é um importante problema que afeta solos e água superficiais. Para reduzir ou remover esses poluentes, os locais contaminados são geralmente tratados com métodos físicos e químicos. No entanto, a maioria dessas técnicas de remediação é custosa e geralmente leva à remoção incompleta e à produção de resíduos secundários. A nanotecnologia consiste na produção e aplicação de estruturas extremamente pequenas, cujas dimensões estão na faixa de 1 a 100 nm, neste cenário a nanopartícula de ferro zero valente representa uma nova geração de tecnologias de remediação ambiental. É não tóxica, abundante, barata, fácil de produzir, e seu processo de produção é simples. No entanto, a fim de diminuir a tendência de agregação, a nanopartícula de ferro zero é frequentemente revestida com surfactantes. A maioria dos surfactantes é quimicamente sintetizado a partir de fontes petroquímicas, eles são persistentes ou parcialmente biodegradáveis, enquanto oferecem baixos riscos à saúde humana, esses compostos podem prejudicar plantas e animais. Para diminuir o uso de métodos químicos, a síntese e estabilização verde de nanomateriais metálicos apresentam-se como uma opção menos perigosa ao meio ambiente. Os biossurfactantes podem potencialmente substituir qualquer surfactante sintético, eles são compostos extracelulares produzidos por microrganismos, como bactérias, e cultivados em diferentes fontes de carbono, podendo ser substratoshidrofílicos. Os biossurfactantes possuem uma grande variedade de estruturas químicas e propriedadesde superfície e entre eles estão os ramnolipídios que já foram intensamente investigados e estudados. Os ramnolipídios podem ser produzidos pela Pseudomonas aeruginosa em diferentes substratos, incluindo o glicerol. Uma produção bem-sucedida de biossurfactantes depende do uso de materiais renováveis e de baixo custo. O glicerol bruto, principal subproduto do processo de transesterificação em uma usina de biodiesel, é um substrato amplamente utilizado para a produção de ramnolipídios. A fim de obter a melhor temperatura e concentração inicial de glicerol, o design rotacional composto central e o método de superfície de resposta foram empregados para delimitar as melhores condições para aumentar a produção de ramnolipídeos e diminuir o glicerol remanescente no meio. Com o auxílio do Método de Superfície e Resposta foi possível verificar a viabilidade do uso do glicerol bruto livre de sal, atingindo uma produção de 2,63 g/L de ramnolipidios e depleção total da fonte de carbono, no meio otimizado contendo 25 g/L de fonte inicial de carbono a 32 ° C. Em seguida, as nanopartículas de ferro zero foram sintetizadas utilizando a redução química com borohidreto de sódio. Foram testadas duas metodologias: (i) adição de ramnolipídios durante a síntese química e (ii) adição após a síntese. As nanopartículas foram subsequentemente testadas quanto à eficiência na redução de nitrato em água subterrânea simulada sob condições anaeróbias em pH 4. A nanopartícula de ferro zero sintetizada adicionando ramnolipídios após a síntese, mostrou a melhor eficiência com uma taxa de remoção de cerca de 78% de remoção de nitrato e concentração inicial de nitrato de 25. mg/L. O método para preparar nanopartícula de ferro zero, usando ramnolipídios como agente estabilizador, mostrou-se uma alternativa promissora para a funcionalização de superfície da nanopartícula, em substituição a surfactantes sintéticos e tóxicos
  • ItemTese de doutorado
    Impactos ecológicos e ecotoxicológicos das culturas de cana-de-açúcar nas comunidades de girinos anfíbios
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2019-04-26) Sánchez-Domene, David ; Almeida, Eduardo Alves de ; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    O Estado de São Paulo é responsável pela produção da metade da cana-de-açúcar no Brasil, e segue crescendo, sendo esse cultivo um dos principais responsáveis pelo desmatamento no interior do estado. A atual expansão da cana-de-açúcar está ocorrendo principalmente sob áreas de cultivos anuais e pastagens de pecuária extensiva. Embora possa parecer positivo, essa conversão de pastagens supõe um grande impacto sobre as poças de água construídas como bebedouros para o gado, as quais abrangem altas proporções de biodiversidade a sua vez. Nesse cenário, os anfíbios são especialmente vulneráveis, uma vez que a grande maioria das espécies de anuros, registrados no interior do estado, se reproduz nestas poças que estão sendo transformadas ou mesmo desaparecendo. Além disso, o cultivo intensivo de cana-de-açúcar exige o uso de agrotóxicos que devido as fortes precipitações sazonais provocam escoamento superficial a estes leitos aquáticos e sua subsequente contaminação por misturas complexas de pesticidas. Nesta dissertação de doutorado são apresentados os resultados de um estudo sobre os impactos ecológicos e ecotoxicológicos em girinos de diferentes espécies de anuros que habitam poças temporárias anexas aos cultivos de cana-de-açúcar. O estudo foi realizado na área agrícola circundante da cidade de São José do Rio Preto, uma das principais áreas de produção de cana-de-açúcar no noroeste paulista. A vegetação nativa dessa região tem sido continuamente desmatada desde o século XIX, e nas últimas décadas tem experimentado uma intensa expansão do cultivo de cana-de-açúcar, substituindo principalmente pastagens, o que torna essa região um local idôneo para pesquisa da anurofauna, a qual tem sido extensivamente estudada desde meados dos anos 60. Para compreender os impactos ecológicos e ecotoxicológicos nos girinos que habitam as poças temporais anexas aos cultivos de cana-de-açúcar, esta dissertação está formada por quatro capítulos nos quais são avaliados i) os impactos do cultivo da cana-de-açúcar sobre a estrutura das comunidades de anuros associadas a poças temporárias por meio do estudo dos efeitos das características locais das poças, da paisagem entorno a elas e da contaminação por pesticidas, ii) as malformações oculares encontradas em girinos coletados durante as amostragens de campo, iii) a confiabilidade do teste de desempenho de natação de escape como ferramenta para a detecção de comprometimento da mobilidade em organismos aquáticos expostos a pesticidas, e iv) os efeitos nas comunidades de água doce das misturas de pesticidas em um experimento microcosmos. Os resultados desses estudos vão desde a confirmação da importância das poças para a conservação de anfíbios, até a detecção de contaminação generalizada na região de São José do Rio Preto, bem como a apresentação dos primeiros casos de malformações anfíbias em paisagens agrícolas no Brasil, e a primeira linha de base de malformações para anfíbios na América do Sul.
  • ItemTese de doutorado
    Development of bioprocess for fibrolytic fungal enzymes production from lignocellulosic residues and its application on kraft pulp biobleaching and xylooligosaccharides production
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2018-08-02) Campioni, Tania Sila ; Oliva Neto, Pedro de ; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Desejando ao final do trabalho obter um bioprocesso integrado usando palha de cana-de-açúcar (PC), este trabalho teve início com a utilização desse substrato para produção de enzimas fribrolíticas, xilanases e celulases, em culturas axênicas, incluindo espécies de Trichoderma e Aspergillus. A triagem para o melhor produtor foi realizada em “shaker” em fermentação submersa. A cultura do fungo T. reesei QM9414 alcançou a melhor produção de enzimas, e em tanque agitado, utilizando um biorreator de 3 L, mostrou o mesmo perfil de produção (~90 U/mL, 0.6 FPU/mL para xilanase e celulases, respectivamente). Em relação a este resultado, a produção de enzimas para as misturas binárias e ternárias destes fungos foi menor, sendo que a melhor combinação, T. reesei QM 9414+A. fumigatus M51, alcançou 60 U/mL e 0.08 FPU/mL respectivamente. Com intuito de otimizar a produção de enzimas utilizando um mix de substratos: palha de cana, como principal componente, e o farelo de trigo e a polpa cítrica, como supostos indutores de atividade enzimática, foi realizado um delineamento de misturas do tipo D-optimal. O resultado da otimização da mistura dos substratos mostrou que o trigo e a polpa cítrica não tiveram um efeito indutivo na produção das enzimas tendo a palha de cana como principal substrato. A enzima xilanase foi caracterizada em seu pH e temperatura ótimos (pH 5, e 50 ºC respectivamente), bem como a estabilidade da enzima nestes parâmetros. Alguns íons e EDTA foram aplicados para determinar a estabilidade da enzima nessas condições, sendo o melhor indutor o Mn2+ com 49% de aumento de atividade (10 mM). O extrato contendo xilanases, produzido nas condições previamente otimizadas foi aplicado no biobranqueamento da polpa Kraft. A otimização da biobranqueamento mostrou uma diminuição do índice Kappa, 12.5% (30 U/g e 30 min), bem como houve a liberação de açúcares e compostos cromóforos. Este tratamento na polpa foi responsável por diminuir em 10% a quantidade de dióxido de cloro utilizado no branqueamento químico, uma vez que sua alvura foi a mesma que o controle sem tratamento enzimático. A xilana presente na PC foi extraída com NaOH por meio de tratamento termo-químico. Após este processo a xilana foi hidrolisada, para a produção de xiloligossacarídeos (XOS) por duas diferentes rotas, com enzimas (utilizando o extrato contendo xilanases), e com ácido fosfórico (95 ºC e 120 ºC). Os melhores ensaios que produziram XOS nas duas rotas não apresentaram diferença significativa, 5.34 e 5.94 g/L correspondendo a 16 e 17.45% de rendimento em XOS. A produção de XOS por via enzimática não formou furfural, entretanto, a hidrólise ácida de XOS é uma alternativa mais rápida. XOS e xilose foram produzidos por meio da hidrólise enzimática da xilana, foram assimilados por bactérias probióticas e por uma levedura produtora de xilanase e celulase. Assim, os resultados mostram que a PC pode ser usada em bioprocessos utilizando microrganismos especiais, visando a produção de enzimas, açúcares fermentecíveis, aproveitamento de resíduos e produção de moléculas nobres tais como o XOS, dentro de um conceito moderno de biorrefinaria desde que outros componentes presentes na PC possam ser utilizados em outros bioprocessos, como produção de bioenergia.