The capability of endophytic fungi for production of hemicellulases and related enzymes

Abstract Background There is an imperative necessity for alternative sources of energy able to reduce the world dependence of fossil oil. One of the most successful options is ethanol obtained mainly from sugarcane and corn fermentation. The foremost residue from sugarcane industry is the bagasse, a rich lignocellulosic raw material uses for the production of ethanol second generation (2G). New cellulolytic and hemicellulytic enzymes are needed, in order to optimize the degradation of bagasse and production of ethanol 2G. Results The ability to produce hemicellulases and related enzymes, suitable for lignocellulosic biomass deconstruction, was explored using 110 endophytic fungi and 9 fungi isolated from spoiled books in Brazil. Two initial selections were performed, one employing the esculin gel diffusion assay, and the other by culturing on agar plate media with beechwood xylan and liquor from the hydrothermal pretreatment of sugar cane bagasse. A total of 56 isolates were then grown at 29°C on steam-exploded delignified sugar cane bagasse (DEB) plus soybean bran (SB) (3:1), with measurement of the xylanase, pectinase, β-glucosidase, CMCase, and FPase activities. Twelve strains were selected, and their enzyme extracts were assessed using different substrates. Finally, the best six strains were grown under xylan and pectin, and several glycohydrolases activities were also assessed. These strains were identified morphologically and by sequencing the internal transcribed spacer (ITS) regions and the partial β-tubulin gene (BT2). The best six strains were identified as Aspergillus niger DR02, Trichoderma atroviride DR17 and DR19, Alternaria sp. DR45, Annulohypoxylon stigyum DR47 and Talaromyces wortmannii DR49. These strains produced glycohydrolases with different profiles, and production was highly influenced by the carbon sources in the media. Conclusions The selected endophytic fungi Aspergillus niger DR02, Trichoderma atroviride DR17 and DR19, Alternaria sp. DR45, Annulohypoxylon stigyum DR47 and Talaromyces wortmannii DR49 are excellent producers of hydrolytic enzymes to be used as part of blends to decompose sugarcane biomass at industrial level.

The capability of endophytic fungi for production of hemicellulases and related enzymes

Abstract BACKGROUND: There is an imperative necessity for alternative sources of energy able to reduce the world dependence of fossil oil. One of the most successful options is ethanol obtained mainly from sugarcane and corn fermentation. The foremost residue from sugarcane industry is the bagasse, a rich lignocellulosic raw material uses for the production of ethanol second generation (2G). New cellulolytic and hemicellulytic enzymes are needed, in order to optimize the degradation of bagasse and production of ethanol 2G. RESULTS: The ability to produce hemicellulases and related enzymes, suitable for lignocellulosic biomass deconstruction, was explored using 110 endophytic fungi and 9 fungi isolated from spoiled books in Brazil. Two initial selections were performed, one employing the esculin gel diffusion assay, and the other by culturing on agar plate media with beechwood xylan and liquor from the hydrothermal pretreatment of sugar cane bagasse. A total of 56 isolates were then grown at 29°C on steam-exploded delignified sugar cane bagasse (DEB) plus soybean bran (SB) (3:1), with measurement of the xylanase, pectinase, β-glucosidase, CMCase, and FPase activities. Twelve strains were selected, and their enzyme extracts were assessed using different substrates. Finally, the best six strains were grown under xylan and pectin, and several glycohydrolases activities were also assessed. These strains were identified morphologically and by sequencing the internal transcribed spacer (ITS) regions and the partial β-tubulin gene (BT2). The best six strains were identified as Aspergillus niger DR02, Trichoderma atroviride DR17 and DR19, Alternaria sp. DR45, Annulohypoxylon stigyum DR47 and Talaromyces wortmannii DR49. These strains produced glycohydrolases with different profiles, and production was highly influenced by the carbon sources in the media. CONCLUSIONS: The selected endophytic fungi Aspergillus niger DR02, Trichoderma atroviride DR17 and DR19, Alternaria sp. DR45, Annulohypoxylon stigyum DR47 and Talaromyces wortmannii DR49 are excellent producers of hydrolytic enzymes to be used as part of blends to decompose sugarcane biomass at industrial level.

1st and 2nd Generation Ethanol from Biomass Crops

In chapter 1 and 2 calcium hydroxide as impregnation agent before steam explosion of sugarcane bagasse and switchgrass, respectively, was compared with auto-hydrolysis, assessing the effects on enzymatic hydrolysis and simultaneous saccharification and fermentation (SSF) at high solid concentration of pretreated solid fraction. In addition, anaerobic digestion of pretreated liquid fraction was carried out, in order to appraise the effectiveness of calcium hydroxide before steam explosion in a more comprehensive way. In As water is an expensive input in both cultivation of biomass crops and subsequent pretreatment, Chapter 3 addressed the effects of variable soil moisture on biomass growth and composition of biomass sorghum. Moreover, the effect of water stress was related to the characteristics of stem juice for 1st generation ethanol and structural carbohydrates for 2nd generation ethanol. In the frame of chapter 1, calcium hydroxide was proven to be a suitable catalyst for sugarcane bagasse before steam explosion, in order to enhance fibre deconstruction. In chapter 2, effect of calcium hydroxide on switchgrass showed a great potential when ethanol was focused, whereas acid addition produced higher methane yield. Regarding chapter 3, during crop cycle the amount of cellulose, hemicellulose and AIL changed causing a decrease of 2G ethanol amount. Biomass physical and chemical properties involved a lower glucose yield and concentration at the end of enzymatic hydrolysis and, consequently, a lower 2G ethanol concentration at the end of simultaneous saccharification and fermentation, proving that there is strong relationship between structure, chemical composition, and fermentable sugar yield. The significantly higher concentration of ethanol at the early crop stage could be an important incentive to consider biomass sorghum as second crop in the season, to be introduced into some agricultural systems, potentially benefiting farmers and, above all, avoiding the exacerbation of the debate about fuel vs food crops.

Life cycle assessment of biofuels produced by the new integrated hydropyrolysis-hydroconversion (IH2) process

Biofuels are alternative fuels that have the promise of reducing reliance on imported fossil fuels and decreasing emission of greenhouse gases from energy consumption. This thesis analyses the environmental impacts focusing on the greenhouse gas (GHG) emissions associated with the production and delivery of biofuel using the new Integrated Hydropyrolysis and Hydroconversion (IH2) process. The IH2 process is an innovative process for the conversion of woody biomass into hydrocarbon liquid transportation fuels in the range of gasoline and diesel. A cradle-to-grave life cycle assessment (LCA) was used to calculate the greenhouse gas emissions associated with diverse feedstocks production systems and delivery to the IH2 facility plus producing and using these new renewable liquid fuels. The biomass feedstocks analyzed include algae (microalgae), bagasse from a sugar cane-producing locations such as Brazil or extreme southern US, corn stover from Midwest US locations, and forest feedstocks from a northern Wisconsin location. The life cycle greenhouse gas (GHG) emissions savings of 58%–98% were calculated for IH2 gasoline and diesel production and combustion use in vehicles compared to fossil fuels. The range of savings is due to different biomass feedstocks and transportation modes and distances. Different scenarios were conducted to understand the uncertainties in certain input data to the LCA model, particularly in the feedstock production section, the IH2 biofuel production section, and transportation sections.

Proceedings of the Seventh Annual Biochemical Engineering Symposium

This is the seventh in a series of symposia devoted to talks by students on their biochemical engineering research. The first four meetings were held alternately at Kansas State University and the University of Nebraska–Lincoln, with participants from those two schools. The next two took place at Kansas State and then in conjunction with the 8lst American Institute of Chemical Engineers National Meeting in Kansas City, with attendees from Kansas State and Iowa State Universities. This meeting, at Iowa State, was the first to include participation from the University of Missouri–Columbia. Contents"Properties of Soluble and In:anoblized Dextransucrase," Hossein Kaboli and Yah Eric Chen, Iowa State University "Growth of Lipid-Producing Organisms on Formic and Acetic Acid-Containing Waste Waters," Lin-Chang Chiang, University of Missouri–Columbia "Design of an Automated Alkaline Copper Reducing Sugar Assay," Alfred R. Fratzke and James R. Frederick, Iowa State University "Determination of Oxygen Transfer Coefficients in Hydrocarbon Fermentations Using a Material Balance Method," Sarafin N. Sanchez and J. R. Gutierrez, Kansas State University "Oxygen Transfer Characteristics in One Stage and Two Stage Air-Lift Towers," Mark E. Orazem, Kansas State University "A Comparison of Biological Digestibility Tests for Cellulose," Dou-Houng Hwang, University of Missouri–Columbia "Mechanism of Enzymatic Hydrolysis of Cellulose," L. T. Fan, Yong-Hyun Lee, and Liang-Shih Fan, Kansas State University "Purification of Xylan-Hydrolyzing Enzymes," James R. Frederick, Alfred R. Fratzke, and Mary M. Frederick, Iowa State University "Cellulase Production from Bagasse and Pith," A. Ferrer, Y. Alroy, and I. Brito, Kansas State University

Myanmar Sugar SMEs: History, Technology, Location and Government Policy

Small and medium enterprises (SMEs) engaged in sugar processing in Myanmar appeared in the last decade of the socialist era. An acute sugar deficit, restricted trade in white sugar, and high demand from the conventional dairy business led to the growth of sugar SMEs by appropriate blending of semi-finished products (syrup) in the fields, which were then processed in vacuum pans and centrifugals to obtain white sugar. This became a tradable commodity and sugar SMEs grew in clusters in big cities. They are family-owned businesses. However, they lack the bagasse-based power generation. In recent years, large modern sugar factories operated by private and military companies have emerged as key players. The current shortage of fuel feedstock and competition for raw materials have become driving forces that shift sugar SMEs from market-oriented to raw material-oriented locations. Internal competition among key players made sugar price highly volatile, too. Being placed on a level playing field, the whole industry should be upgraded in terms of price and quality to become export-oriented.

Biomaterials from beer manufacture waste for bone growth scaffolds

Agricultural wastes are a source of renewable raw materials (RRM), with structures that can be tailored for the use envisaged. Here, they have proved to be good replacement candidates for use as biomaterials for the growth of osteoblasts in bone replacement therapies. Their preparation is more cost effective than that of materials presently in use with the added bonus of converting a low-cost waste into a value-added product. Due to their origin these solids are ecomaterials. In this study, several techniques, including X-ray diffraction (XRD), chemical analysis, mercury intrusion porosimetry (MIP), scanning electron microscopy (SEM), and bioassays, were used to compare the biocompatibility and cell growth of scaffolds produced from beer bagasse, a waste material from beer production, with a control sample used in bone and dental regenerative processes.

Utilización del cultivo plurianual de pataca (Helianthus tuberosus L.) para la producción de hidratos de carbono fermentables a partir de los tallos

La pataca (Helianthus tuberosus L.) es una especie de cultivo con un alto potencial en la producción de hidratos de carbono de reserva en forma de polifructanos, especialmente inulina, que se acumulan temporalmente en los tallos en forma de polisacáridos para translocarse posteriormente a los tubérculos, donde son almacenados. Aunque tradicionalmente el producto de interés del cultivo son los tubérculos, que acumulan gran cantidad de hidratos de carbono fermentables (HCF) cuando se recogen al final del ciclo de desarrollo, en este trabajo se pretende evaluar el potencial de la pataca como productor de HCF a partir de los tallos cosechados en el momento de máximo contenido en HCF, mediante un sistema de cultivo plurianual. Se han realizado los siguientes estudios: i) Determinación del momento óptimo de cosecha en ensayos con 12 clones ii) Potencial del cultivo plurianual de la pataca en términos de producción anual de biomasa aérea y de HCF en cosechas sucesivas, iii) Ensayos de conservación de la biomasa aérea, iv) Estimación de los costes de las dos modalidades de cultivo de pataca para producción de HCF y v) Estimación de la sostenibilidad energética de la producción de bioetanol mediante la utilización de los subproductos. Para la determinación del momento óptimo de la cosecha de la biomasa aérea se ensayaron 12 clones de diferente precocidad en Madrid; 4 tempranos (Huertos de Moya, C-17, Columbia y D-19) y 8 tardíos (Boniches, China, K-8, Salmantina, Nahodka, C-13, INIA y Violeta de Rennes). El máximo contenido en HCF tuvo lugar en el estado fenológico de botón floral-flor que además coincidió con la máxima producción de biomasa aérea. De acuerdo con los resultados obtenidos, la cosecha de los clones tempranos se debería realizar en el mes de julio y en los clones tardíos en septiembre, siendo éstos últimos más productivos. La producción media más representativa entre los 12 clones, obtenida en el estado fenológico de botón floral fue de 23,40 t ms/ha (clon INIA), con un contenido medio en HCF de 30,30 % lo que supondría una producción potencial media de 7,06 t HCF/ha. La producción máxima en HCF se obtuvo en el clon Boniches con 7,61 t/ha y 22,81 t ms/ha de biomasa aérea. En el sistema de cultivo plurianual la cantidad de tallos por unidad de superficie aumenta cada año debido a la cantidad de tubérculos que van quedando en el terreno, sobre todo a partir del 3er año, lo que produce la disminución del peso unitario de los tallos, con el consiguiente riesgo de encamado. El aclareo de los tallos nacidos a principios de primavera mediante herbicidas tipo Glifosato o mediante una labor de rotocultor rebaja la densidad final de tallos y mejora los rendimientos del cultivo. En las experiencias de conservación de la biomasa aérea se obtuvo una buena conservación por un período de 6 meses de los HCF contenidos en los tallos secos empacados y almacenados bajo cubierta. Considerando que el rendimiento práctico de la fermentación alcohólica es de 0,5 l de etanol por cada kg de azúcar, la producción potencial de etanol para una cosecha de tallos de 7,06 t de HCF/ha sería de 3.530 l/ha. El bagazo producido en la extracción de los HCF de la biomasa aérea supondría 11,91 t/ha lo que utilizado para fines térmicos supone más de 3 veces la energía primaria requerida en el proceso de producción de etanol, considerando un poder calorífico inferior de 3.832,6 kcal/kg. Para una producción de HCF a partir de la biomasa aérea de 7,06 t/ha y en tubérculos al final del ciclo de 12,11 t/ha, los costes de producción estimados para cada uno de ellos fueron de 184,69 €/t para los HCF procedentes de la biomasa aérea y 311,30 €/t para los de tubérculos. Como resultado de este trabajo se puede concluir que la producción de HCF a partir de la biomasa aérea de pataca en cultivo plurianual, es viable desde un punto de vista técnico, con reducción de los costes de producción respecto al sistema tradicional de cosecha de tubérculos. Entre las ventajas técnicas de esta modalidad de cultivo, cabe destacar: la reducción de operaciones de cultivo, la facilidad y menor coste de la cosecha, y la posibilidad de conservación de los HCF en la biomasa cosechada sin mermas durante varios meses. Estas ventajas, compensan con creces el menor rendimiento por unidad de superficie que se obtiene con este sistema de cultivo frente al de cosecha de los tubérculos. Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) (JA) is a crop with a high potential for the production of carbohydrates in the form of polyfructans, especially inulin, which are temporarily accumulated in the stems in the form of polysaccharides. Subsequently they are translocated to the tubers, where they are finally accumulated. In this work the potential of Jerusalem artichoke for fermentable carbohydrates from stems that are harvested at their peak of carbohydrates accumulation is assessed as compared to the traditional cultivation system that aims at the production of tubers harvested at the end of the growth cycle. Tubers are storage organs of polyfructans, namely fermentable carbohydrates. Studies addressed in this work were: i) Determination of the optimum period of time for stem harvesting as a function of clone precocity in a 12-clone field experiment; ii) Study of the potential of JA poly-annual crop regarding the annual yield of aerial biomass and fermentable carbohydrates (HCF) over the years; iii) Tests of storage of the aerial biomass, iv) Comparative analysis of the two JA cultivation systems for HCF production: the poly-annual system for aerial biomass harvesting versus the annual cultivation system for tubers and v) Estimation of the energy sustainability of the bioethanol production by using by-products of the production chain. In order to determine the best period of time for aerial biomass harvesting twelve JA clones of different precocity were tested in Madrid: four early clones (Huertos de Moya, C-17, Columbia and D-19) and eight late clones (Boniches, China, K-8 , Salmantina, Nahodka, C-13, INIA and Violeta de Rennes). Best time was between the phenological stages of floral buds (closed capitula) and blossom (opened capitula), period in which the peak of biomass production coincides with the peak of HCF accumulation in the stems. According to the results, the early clones should be harvested in July and the late ones in September, being the late clones more productive. The clone named INIA was the one that exhibited more steady yields in biomass over the 12 clones experimented. The average potential biomass production of this clone was 23.40 t dm/ha when harvested at the floral buds phenological stage; mean HCF content is 30.30%, representing 7.06 t HCF/ha yield. However, the highest HCF production was obtained for the clone Boniches, 7.61 t HCF/ha from a production of 22.81 t aerial biomass/ha. In the poly-annual cultivation system the number of stems per unit area increases over the years due to the increase in the number of tubers that are left under ground; this effect is particularly important after the 3rd year of the poly-annual crop and results in a decrease of the stems unit weight and a risk of lodging. Thinning of JA shoots in early spring, by means of an herbicide treatment based on glyphosate or by means of one pass with a rotary tiller, results in a decrease of the crop stem density and in higher crop yields. Tests of biomass storing showed that the method of keeping dried stems packed and stored under cover results in a good preservation of HCF for a period of six months at least. Assuming that the fermentation yield is 0.5 L ethanol per kg sugars and a HCF stem production of 7.06 t HCF/ha, the potential for bioethanol is estimated at 3530 L/ha. The use of bagasse -by-product of the process of HCF extraction from the JA stems- for thermal purposes would represent over 3 times the primary energy required for the industrial ethanol production process, assuming 11.91 t/ha bagasse and 3832.6 kcal/kg heating value. HCF production costs of 7.06 t HCF/ha yield from aerial biomass and HCF production costs of 12.11 t HCF/ha from tubers were estimated at 184.69 €/t HCF and 311.30 €/t HCF, respectively. It can be concluded that the production of HCF from JA stems, following a poly-annual cultivation system, can be feasible from a technical standpoint and lead to lower production costs as compared to the traditional annual cultivation system for the production of HCF from tubers. Among the technical advantages of the poly-annual cultivation system it is worth mentioning the reduction in crop operations, the ease and efficiency of harvesting operations and the possibility of HCF preservation without incurring in HCF losses during the storage period, which can last several months. These advantages might compensate the lower yield of HCF per unit area that is obtained in the poly-annual crop system, which aims at stems harvesting, versus the annual one, which involves tubers harvesting.

Valorización de subproductos agrícolas y forestales como sustratos de cultivo en el estado de Oaxaca (México)

El presente trabajo aborda el aprovechamiento de algunos subproductos agrícolas (bagazo de maguey y fibra de coco) y forestales (corteza de pino) en el Estado de Oaxaca (Sur de México). El objetivo principal se centra en localizar, cuantificar y caracterizar estos con vistas a su aplicación como sustratos o componentes de sustratos en cultivos ornamentales, forestales y hortícolas, y a su uso como enmiendas en cultivos tipo. Así mismo se persigue reducir el uso de la turba y la tierra de monte como sustratos mayoritarios en la actualidad. Para la localización de los subproductos se utilizaron los datos de los registros parcelarios de los productores de coco para la obtención de copra (generadores de fibra de coco) de la región costa y de los productores de mezcal (generadores del residuo de bagazo de maguey) de la región valles centrales, así como las ubicaciones de los aserraderos forestales en el Estado de Oaxaca. Se emplea un Sistema de Información Geográfica (SIG) con una cartografía digitalizada de los elementos del medio (clima, geología y suelo), de los cultivos generadores (bagazo de maguey, fibra de coco y corteza de pino), de la agricultura protegida como receptora (tomate) y de la agricultura extensiva con cultivos receptores de enmienda (café, hule, limón, mango, palma de coco y maguey). La producción anual de los residuos se cartografía y cuantifica con los siguientes resultados: bagazo de maguey 624.000 t, fibra de coco 86.000 m3 y 72.000 t de corteza de pino. Mediante el estudio de las características de los suelos de los cultivos receptores y de los requerimientos de materia orgánica de cada cultivo se calcularon las necesidades totales de materia orgánica para cada suelo. Los resultados de las cantidades globales para cada cultivo en todo el Estado muestran una necesidad total de 3.112.000 t de materia orgánica como enmienda. Con los datos obtenidos y a través de un algoritmo matemático se realiza una propuesta de localización de dos plantas de compostaje (de bagazo de maguey y fibra de coco) y cuatro plantas de compostaje de corteza de pino. Con el fin de conocer los subproductos a valorizar como sustrato o componente de sustrato se caracteriza su composición física‐química, siguiendo Normas UNE‐EN, y se analizan mediante Resonancia Magnética Nuclear (RMN). Para el acondicionamiento de bagazo de maguey y la corteza de pino se realizaron ensayos de compostaje. Al final de 241 días la temperatura y la humedad de ambos procesos se encontraban en los rangos recomendados, indicando que los materiales estaban estabilizados y con calidad para ser utilizados como sustrato o componente de sustrato. Para la fibra de coco se realizó el proceso de molienda en seco de conchas de coco provenientes de la comunidad de Río Grande Oaxaca (Principal zona productora de copra en Oaxaca). Posteriormente se emplean los materiales obtenidos como componentes para sustratos de cultivo. Se estudia el compost de bagazo de maguey y siete mezclas; el compost de corteza de pino y ocho mezclas y la fibra de coco con tres mezclas. Estos sustratos alternativos permiten obtener mezclas y reducir el uso de la tierra de monte, turba, arcilla expandida y vermiculita, siendo por tanto una alternativa sostenible para la producción en invernadero. Se elaboraron mezclas especificas para el cultivo de Lilium hibrido asiático y oriental (siete mezclas), sustratos eco‐compatibles para cultivo de tomate (nueve mezclas), para la producción de planta forestal (siete mezclas) y para la producción de plántula hortícola (ocho mezclas). Como resultados más destacados del bagazo de maguey, corteza de pino y las mezclas obtenidas se resume lo siguiente: el bagazo de maguey, con volúmenes crecientes de turba (20, 30, 50 y 60 %) y la corteza de pino, con volúmenes de turba 40 y 60%, presentan valores muy recomendados de porosidad, capacidad de aireación, capacidad de retención de humedad y equilibrio agua‐aire. Para la fibra de coco, la procedente de Río Grande presenta mejor valoración que la muestra comercial de fibra de coco de Morelos. Por último se llevó a cabo la evaluación agronómica de los sustratos‐mezclas, realizando cinco experimentos por separado, estudiando el desarrollo vegetal de cultivos tipo, que se concretan en los siguientes ensayos: 1. Producción de Lilium asiático y oriental en cama para flor de corte; 2. Producción de Lilium oriental en contenedor para flor de corte; 3. Producción de plántula forestal (Pinus greggii E y Pinus oaxacana M); 4. Producción de tomate (Solanum lycopersicum L) y 5. Producción de plántula de tomate en semillero (Solanum lycopersicum L). En relación a la producción de Lilium hibrido asiático en cama los sustratos corteza de pino (CPTU 80:20 v/v), corteza de pino + sustrato comercial (CPSC 80:20 v/v) y corteza de pino+turba+arcilla expandida+vermiculita (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) presentan los mejores resultados. Dichos sustratos también presentan adecuados resultados para Lilium hibrido oriental con excepción de la corteza de pino + turba (CPTU 80:20 v/v). En la producción de Lilium hibrido oriental en contenedor para flor de corte, además de los sustratos de CPSC y CPTAEV2, la mezcla de corteza de pino+turba+arcilla expandida+vermiculita (CPTAEV 70:20:5:5 v/v) manifestó una respuesta favorable. En el ensayo de producción de plántulas de Pinus greggii E y Pinus oaxacana Mirov, las mezclas con corteza de pino+turba+arcilla expandida+vermiculita (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) y bagazo de maguey turba+arcilla expandida+vermiculita (BMTAEV2 30:60:5:5 v/v) son una alternativa que permite disminuir el empleo de turba, arcilla expandida y vermiculita, en comparación con el sustrato testigo de turba+arcilla expandida+vermiculita (TAEV 60:30:10 v/v). En la producción de tomate (Solanum lycopersicum L) frente a la utilización actual del serrín sin compostar (SSC), las mezclas alternativas de bagazo de maguey+turba (BMT 70:30 v/v), fibra de coco de Río Grande (FCRG 100v/v) y corteza de pino+turba (CPT 70:30 v/v), presentaron los mejores resultados en rendimientos. Así mismo, en la producción de plántulas de tomate las dos mezclas alternativas de bagazo de maguey+turba+ arcilla expandida+vermiculita (BMTAEV5 50:30:10:10 v/v) y (BMTAEV6 40:40:10:10 v/v) presentaron mejores resultados que los obtenidos en la mezcla comercial (Sunshine 3), mayoritariamente utilizada en México en la producción de plántula de tomate y hortícola. ABSTRACT This paper addresses the use of some agricultural products (maguey bagasse and coconut fiber) and forestry (pine bark) in the State of Oaxaca (southern Mexico). The principal purpose is to locate, quantify and characterize these with the idea of applying them as substrates or substrate components in ornamental crops, forestry, horticultural, and their use as crop amendments. On the other hand, the reduction of peat and forest soil as main substrates is pursued. For the location of the products, registry parcel data from copra producers (coconut fiber generators) of the coastal region and mescal producers (maguey bagasse residue generators) of the central valleys region, as well as the locations of forest mills in the State of Oaxaca. A Geographic Information System (GIS) with digital mapping of environmental factors (climate, geology and soil), crop generators of residues (maguey bagasse, coconut and pine bark) receptors of amendments such as protected agriculture (tomato) and extensive agriculture crops (coffee, rubber, lemon, mango, coconut and agave). The annual production of waste is mapped and quantified with the following results: 624,000t maguey bagasse, coconut fiber 72,000 m3 and 86,000 t of pine bark. Through the study of receiving crops soils properties of and organic matter requirements of each crop, total needs of organic matter for each soil were estimated. The results of the total quantities for each crop across the state show a total of 3,112,000 t of organic matter needed as amendment. Using that data and a mathematical algorithm, the location of two composting plants (agave bagasse and coconut fiber) and four composting plants pine bark was proposed. In order to know the by‐products that were going to be used as substrates or substrate components, their physical‐chemical composition was analyzed following UNE‐EN technics. Furthermore they were analyzed by Nuclear Magnetic Resonance (NMR). For conditioning of maguey bagasse and pine bark, composting essays were conducted. At the end of 241 days the temperature and humidity of both processes were at the recommended ranges, indicating that the materials were stabilized and had reached the quality to be used as a substrate or substrate component. Coconut shells from the community of Rio Grande Oaxaca (Main copra producing area in Oaxaca) were put through a process of dry milling. Subsequently, the obtained materials were used as components for growing media. We studied the maguey bagasse compost and seven mixtures; the pine bark compost and eight blends and coconut fiber with three mixtures. These alternative substrates allow obtaining mixtures and reduce the use of forest soil, peat, vermiculite and expanded clay, making it a sustainable alternative for greenhouse production. Specific mixtures were prepared for growing Lillium, Asian and eastern hybrids (seven blends), eco‐compatible substrates for tomato (nine mixtures), for producing forest plant (seven mixtures) and for the production of horticultural seedlings (eight mixtures). Results from maguey bagasse, pine bark and mixtures obtained are summarized as follows: the maguey bagasse, with increasing volumes of peat (20, 30, 50 and 60%) and pine bark mixed with 40 and 60% peat by volume, have very recommended values of porosity, aeration capacity, water retention capacity and water‐air balance. Coconut fiber from Rio Grande had better quality than commercial coconut fiber from Morelos. Finally the agronomic evaluation of substrates‐mixtures was carried out conducting five experiments separately: 1. Production of Asiatic and Eastern Lilium in bed for cut flower, 2. Production of oriental Lillium in container for cut flower, 3.Production of forest seedlings (Pinus greggii E and Pinus oaxacana M), 4. Production of tomato (Solanum lycopersicum L) and 5. Tomato seedling production in seedbed (Solanum lycopersicum L). In relation to the production of hybrid Asian Lilium in bed, pine bark substrates (CPTU 80:20 v/v), pine bark + commercial substrate (CPSC 80:20 v/v) and pine bark + peat + expanded clay + vermiculite (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) showed the best results. Such substrates also have adequate results for Lilium Oriental hybrid except pine bark + peat (CPTU 80:20 v / v). In the production of Lilium oriental hybrid container for cut flower, besides the CPSC and CPTAEV2 substrates, the mixture of pine bark + peat + vermiculite expanded clay (CPTAEV 70:20:5:5 v / v) showed a favorable response. In the production of Pinus greggii E and Pinus oaxacana Mirov seedlings trial, mixtures with pine bark + peat + expanded clay + vermiculite (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) and maguey bagasse+ peat+ expanded clay + vermiculite (BMTAEV2 30:60:5:5 v / v) are an alternative which allows reducing the use of peat, vermiculite and expanded clay in comparison with the control substrate made of peat + expanded clay+ vermiculite (60:30 TAEV: 10 v/v). In the production of tomato (Solanum lycopersicum L), alternative mixes of maguey bagasse + peat (BMT 70:30 v/v), coconut fiber from Rio Grande (FCRG 100 v / v) and pine bark + peat (CPT 70:30 v / v) showed the best results in yields versus the current use of sawdust without compost (SSC). Likewise, in the production of tomato seedlings of the two alternative mixtures maguey bagasse + peat expanded clay + vermiculite (BMTAEV5 50:30:10:10 v/v) and (BMTAEV6 40:40:10:10 v/v) had better results than those obtained in the commercial mixture (Sunshine 3), mainly used in Mexico in tomato seedling production and horticulture.

Investigación sobre fermentaciones metánicas de desechos estacionales

En el campo agrícola se producen una serie de desechos orgánicos, que por un lado representan serios problemas de contaminación ambiental y por otro el desperdicio de valores energéticos importantes. Es decir una acción contraria a la sostenibilidad que debe buscarse en este siglo XXI. Entre estos productos agrícolas pueden citarse la pulpa de café, residuos herbáceos, bagazo de caña y la fracción insoluble de estiércol de ganado porcino conocida como cerdaza. Un problema añadido para dar solución adecuada es la disponibilidad de estos solo en cortas épocas del año. Todo lo anterior ha sido el origen de la presente investigación, para dar solución adecuada tanto en el aprovechamiento de biogás como en la reducción de la contaminación. La investigación descrita en este documento contempla el desarrollo de los siguientes aspectos: 1) Caracterización y problemática de cada uno de los productos señalados, 2) la solución al problema mediante el proceso de digestión anaerobia con fases separadas con el aprovechamiento del biogás generados y 3) recomendaciones para el arranque del proceso de digestión anaerobia y su mantenimiento en una alternancia de los productos citados. En la primera etapa de la fase experimental se estimó el rendimiento específico de metano para los diferentes sustratos, utilizando reactores batch configurados en una y dos fases concluyendo que la digestión anaerobia en dos fases presenta diferentes ventajas sobre la digestión monoetapa. En general se obtuvo un mayor rendimiento en la producción de metano, una reducción en los tiempos de retención, mayor eficiencia en la eliminación de los sólidos volátiles agregados, y una mayor estabilidad en el proceso reflejado en el mantenimiento de valores de pH en los rangos de operación recomendados. Seguidamente, al comparar dos procesos para la puesta en marcha de digestores metanogénicos operados en forma continua, se concluye que las variables determinantes en la estabilidad del sistema son la alcalinidad total presente en el digestor, el establecimiento de la población de microorganismos y la carga orgánica aplicada. Las dos primeras están determinadas por la calidad y proporción del inóculo suministrado al inicio del proceso. La alternación de sustratos suministrados al sistema de digestión en dos fases, permitió determinar el impacto sobre el desempeño del mismo, registrando una reducción en la producción de biogás, la riqueza de metano y la eficiencia de eliminación de sólidos volátiles durante los primeros días de operación luego del cambio de sustrato. Este periodo corresponde al proceso de aclimatación de los microorganismos el cual requirió de 20 días para asimilar los componentes del nuevo sustrato. Finalmente, entre los sustratos analizados, la menor carga orgánica de operación para mantener la operación del sistema en continuo corresponde a la pulpa de café con 0.1 kg SV/m3. La composición de este sustrato favorece la rápida acumulación de acidez volátil en el sistema, proporcionando una tendencia a la acidificación. Sin embargo, al controlar las cargas orgánicas volumétricas, el sistema permaneció operando sin necesidad de adición de alcalinizantes. La aplicación de los resultados de la presente investigación a la problemática de residuos de café es alentadora, comprobando que el sistema puede ser operado en continuo alternando residuos boreales y pulpa de café, ambos sustratos disponibles en las plantas de procesamiento de la cereza de café. ABSTRACT In the agricultural field there are series of organic wastes, which in one hand are the source of serious problems of environmental pollution and in the other, they represent a residue that could be used as a feedstock with significant energy values. These actions are contrary to efforts towards sustainability, which should be a priority in this century. Among agricultural residues with significant abundance, the coffee pulp, herbaceous waste, sugarcane bagasse and the insoluble fraction of pig manure can be mentioned. An added problem to the development of appropriate treatment systems, which provides a solution to the disposal of such wastes, is the limited availability of these feedstocks only in short seasons. These arguments have been the source of our research, in order to provide properly measures to biogas usage and pollution reduction. The research presented in this document includes the approaches to the following aspects. 1) Characterization and problems regarding the selected feedstocks 2) the solution to the problem by anaerobic digestion process with separate phases and 3) recommendations for starting the process of anaerobic digestion and its maintenance with alternation of the products listed For the first stage of the experimental phase, the specific methane yield of the selected feedstocks was estimated using batch reactors configured in one and two phases. It was concluded that two-phase anaerobic digestion offered distinct advantages over the single-stage digestion. In general a higher methane production yields, lower retention times, higher efficiency in volatile solids removal, and increased stability among the process were obtained. When comparing two processes for starting up methanogenic digesters, it is concluded that the variables that determine the stability of the system are the total alkalinity in the digester, the establishment of the population of microorganisms and the organic load. The first variables are influenced by the proportion and quality of the inoculum supplied at the beginning of the process. The alternation of substrates gave as a result a negative impact on system performance, recording a reduction on biogas production, the methane concentration and the efficiency of volatile solids removal. The situation was observed during the first days of operation after the change of feeding. This period corresponds to the process of acclimatization of the microorganisms which required 20 days to assimilate new substrate components. Finally, among substrates studied, the lowest organic load applied to maintain a continuous operation of the system, corresponds to the coffee pulp with 0.1 kg VS / m3. The composition of this substrate promotes a rapid accumulation of volatile acidity within the system, providing a tendency to acidification. However, by controlling organic loads, the operating system remained stable without addition of alkalizing components. The application of the results of this research to the problem of coffee waste is promising, proving that an anaerobic system can be operated continuously by alternating boreal waste and coffee pulp, both substrates available in coffee processing plants.

Estudo da durabilidade de painéis de partículas de bagaço de cana de açúcar e resina poliuretana a base de óleo de mamona para aplicação na construção civil

O presente trabalho tem por objetivo avaliar o desempenho físico-mecânico e a durabilidade de painéis de partículas de bagaço de cana-de-açúcar com resina bicomponente a base de mamona (BCP) e compará-los com painéis de partículas de madeira comerciais (Medium Density Particleboard - MDP). Os painéis de bagaço de cana de açúcar foram fabricados com um teor de resina poliuretana a base de óleo de maona de 15%. O desempenho físico e mecânico dos painéis particulados foi analisado com base nas prescrições dos documentos normativos vigentes. Ambos os materiais foram revestidos superficialmente com resina poliuretana bicomponente à base de óleo de mamona. Avaliou-se a influência do tratamento das bordas na deterioração e no desempenho dos painéis. O acompanhamento das propriedades físico-mecânicas foi realizado antes e após os ensaios de envelhecimento por exposição natural durante 3, 6 e 12 meses, envelhecimento acelerado e de intemperismo artificial. Foi feita a avaliação, da suscetibilidade ao crescimento gerada pelo ataque de fungos emboloradores e apodrecedores nos materiais durante o envelhecimento natural e no ensaio acelerado. Foi realizada a análise colorimétrica para a identificação de mudanças de cor e brilho nos materiais após os ensaios de deterioração. Foram utilizadas as técnicas de densitometria de raios X, espectroscopia por infravermelho próximo (NIR). Os resultados obtidos indicaram a selagem lateral permitiu avaliar a superfície exposta do material permitindo a entrada da água pela superfície avaliando o efeito dos agentes de deterioração. A porcentagem de retenção para o Módulo de ruptura após o ensaio de envelhecimento por imersão em agua e secagem (APA D1) foi de 87% e 3% para BCP e MDP sem revestimento respectivamente e de 90% e 3% para BCP e MDP com revestimento. A porcentagem de retenção das propriedades mecânicas em ambos os submetidos à exposição natural diminuiu em função do tempo. Entretanto o porcentagem de retenção para os materiais BCP e MDP com revestimento superficial foi de 76% e 60% para MOR. A exposição natural mostrou que os fungos emboloradores foram predominantes em ambos os materiais. Ambos os materiais com revestimento superficial apresentaram entre 1-10% de colonização com um 70% de probabilidade. Revestimento de resina de óleo de mamona reduz o crescimento de fungos em ambos os materiais no ensaio acelerado. O perfil de densitometria permitiu analisar o processo de fabricação dos painéis e permitiu identificar a deterioração gradativa do ambos os materiais após os ensaios de envelhecimento. A intepretação mediante a analise de componentes principais (ACP) na aplicação do NIR comportou a classificação das características relacionadas a cada ensaio de deterioração de ambos os materiais sem revestimento superficial. Com base nos resultados deste trabalho, foram propostas contribuições para ajustes de metodologias para a avaliação da durabilidade e do desempenho físico e mecânico dos painéis particulados, tendo em vista a sua viabilidade técnica, em sistemas construtivos da construção civil.

Bagaço de cana como enriquecimento ambiental para leitões recém desmamados

O objetivo do estudo foi avaliar o uso de bagaço de cana como enriquecimento ambiental para suínos a partir do comportamento e respostas fisiológicas do estresse causado pelo confinamento e mudança de ambiente, na fase de creche. O projeto foi conduzido no Laboratório de Biometeorologia e Etologia, da Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos da Universidade de São Paulo, Pirassununga-SP, e no setor da Suinocultura da Prefeitura do Campus Administrativo Fernando Costa (PUSP-FC), entre os meses de abril e junho de 2015. Foram utilizados 66 leitões (NK75 X Naïma), machos e fêmeas desmamados aos 28 dias, separados em grupos homogêneos com relação ao peso, transferidos para baias da creche e distribuídos em dois tratamentos: Tratamento Enriquecido (TE) onde as baias foram fornecidas com cama profunda de bagaço de cana, de até 15 cm de profundidade e Tratamento Não Enriquecido (TNE) as baias foram utilizadas da forma convencional, sem cobertura no piso cimentado. Foram avaliadas diferentes respostas fisiológicas, especificamente, níveis de cortisol salivar, temperatura superficial por meio de um termómetro infravermelho e temperatura ocular a través de fotos termográficas. O comportamento dos leitões foi registrado e as análises das observações das atividades foram realizadas pelo efeito dos tratamentos e a interação do tempo. Os dados de desempenho dos animais foram analisados, igualmente como o Ganho de peso diário (GPD) e a conversão alimentar (CA). Animais que receberam enriquecimento ambiental apresentaram concentrações de cortisol mais baixas (P<0,001) durante a primeira semana pós-desmama. A partir da segunda semana pós desmama até o final da fase da creche houve efeito do tratamento (P<0,05), encontrando níveis de cortisol até quatro vezes mais altos para o TNE referentes aos níveis basais, enquanto o TE continua tendo níveis mais baixos (P<0,05). Animais que receberam enriquecimento ambiental tiveram maior frequência em comportamentos exploratórios (P<0,05) e maior atividade brincando (P<0,05) durante toda a fase experimental. Leitões que foram criados em baias pobres manifestaram maior frequência em comportamentos agonísticos (P<0,05) e em repouso (P<0,05). A correlação entre a temperatura superficial do dorso e termografia ocular indicou uma associação moderada positiva (P<0,0001) com a temperatura ocular mínima (r=0,43) e máxima (r=0,41). Apesar de não existir diferença estatística para o desempenho entre tratamentos (P>0,05), o TE apresentou maior ganho de peso diário (0,47±0,015 kg.dia-1) e total (23,47±0,73 kg.dia-1). A conversão alimentar foi maior no TE (2,88±0,25), provavelmente porque os leitões precisavam de mais alimento para compensar a energia gasta pela sua atividade de fuçar e brincar. Ambientes enriquecidos durante a fase da creche melhoram o bem-estar dos animais em confinamento, diminuindo o estresse pela desmama, motivando o animal a expressar comportamentos próprios da espécie suína, tais como fuçar e explorar.

Caroço de algodão integral e vitamina E em dietas para bovinos Nelore, confinados por 83, 104 e 111 dias

O objetivo deste trabalho foi avaliar os efeitos da inclusão de caroço de algodão e vitamina E em dietas para bovinos confinados por 83, 104 e 111 dias sobre as características da carcaça, qualidade da carne e características sensoriais da carne in natura e de hambúrgueres. Foram utilizados 54 bovinos da raça Nelore, machos, não castrados, com média de 350 kg ± 30 kg de peso vivo inicial e 24 meses de idade, divididos em três grupos de acordo com o peso vivo inicial e distribuídos em três dietas: dieta sem inclusão de caroço de algodão (C), dieta contendo 30% MS de caroço de algodão (CA) e dieta contendo 30% MS de caroço de algodão e 500 UI de vitamina E/kg de matéria seca da ração (CAE). As dietas empregadas foram compostas de diferentes concentrados, incluindo milho grão seco, polpa cítrica, bagaço de cana cru e farelo de soja, com relação volumoso:concentrado de 14:86 e média de 16% PB nas três dietas. Os animais abatidos aos 83 dias de confinamento eram correspondentes ao grupo de maior peso vivo, já os animais mais leves foram abatidos aos 111 dias de confinamento. O experimento foi em arranjo fatorial 3 x 3, considerando três dietas e três períodos de confinamento, totalizando 9 tratamentos. Os animais que permaneceram em confinamento por mais tempo apresentaram maior rendimento de carcaça (56,33%) e carnes mais macias (3,02 kg). As dietas CA e CAE resultaram em menor força de cisalhamento (3,15 e 3,31 kg, respectivamente). A inclusão de vitamina E se mostrou indiferente para a cor e TBARS, em relação à dieta CA. A inclusão do caroço de algodão em dietas para bovinos não influenciou no teor de ácidos graxos saturados, porém aumentou os teores de alguns ácidos graxos poli-insaturados (AGPI) nas carnes. Por outro lado, houve um aumento linear nos níveis de ácidos graxos saturados (AGS) à medida que aumentaram os dias de confinamento. Em relação às características sensoriais, no teste descritivo, as carnes in natura dos animais alimentados com CA e CAE foram mais macias e suculentas (P < 0,05), porém apresentaram um sabor mais intenso e os provadores treinados detectaram um sabor estranho nestas carnes (P < 0,05). No entanto, para o teste afetivo, apenas foi detectado sabor estranho para os hambúrgueres provenientes da dieta CA, os atributos aroma e aroma estranho não foram influenciados pelas dietas (P > 0,05). Por meio do teste discriminativo, foi observado que os hambúrgueres provenientes de animais alimentados com CA e CAE por 104 e 111 dias de confinamento apresentaram diferença em relação ao sabor quando comparados aos hambúrgueres de animais do grupo C destes mesmos períodos, e que os hambúrgueres da dieta CA não apresentaram diferença de sabor quanto aos dias de confinamento. A inclusão de 30% MS de caroço de algodão mostrou ser uma boa alternativa para melhorar as características físico-químicas da carne e seu perfil de ácidos graxos, entretanto atribui um sabor estranho ao produto final, independente do período de confinamento, sendo perceptível ao consumidor e reduzindo aceitabilidade. Ao longo dos dias de confinamento, a carne dos animais se torna menos saudável, do ponto de vista de composição lipídica, ao consumo humano. A adição de 500 UI de vitamina E em dietas contendo caroço de algodão mostrou-se desnecessária

Painéis de partículas homogêneas cimento-bagaço de cana-de-açúcar curados por carbonatação acelerada

O presente estudo teve como objetivo produzir e avaliar o desempenho de painéis de partículas homogêneas de cimento-bagaço de cana-de-açúcar curados por carbonatação acelerada. Para atingir os resultados foram realizados ensaios de caracterizações morfológica e físico-química das partículas de bagaço de cana-de-açúcar, bem como ensaio de termometria para identificar a compatibilidade da matéria prima (bagaço) com o cimento. Os painéis de partículas cimento-bagaço produzidos foram submetidos a dois processos de cura distintos: 1- cura por 48 h em câmara climática, seguida por 24 h em ambiente com concentração de 15% ±0.6 de CO2, seguida por 24 dias em ambiente saturado ao ar; 2- cura em câmara climática por 48 h, seguida por 25 dias em ambiente saturado ao ar. Ao final dos 28 dias de cura e após ensaio de envelhecimento acelerado de imersão e secagem foram realizadas as caracterizações físico-mecânicas seguindo as recomendações das normativas DIN: 310; 322 e 323, bem como caracterização microestrutural e de condutividade térmica do painel de partículas cimento-bagaço. Os resultados obtidos indicaram que os painéis de partículas cimento-bagaço curados por carbonatação acelerada apresentaram melhor desempenho físico-mecânico quando comparados aos painéis não carbonatados, pois a carbonatação melhorou a interface entre as partículas e a matriz cimentícia, proporcionando maior adesividade entre as fases. E, além disso, reduziu o pH do meio alcalino em que as partículas de bagaço de cana-de-açúcar estão inseridas, minimizando o processo de degradação da lignina, celulose e hemicelulose.

Dinâmica do microbioma ruminal de ovinos (Ovis aries) e sua relação com a degradação de biomassa

Considerando a dieta como um fator modulador do microbioma ruminal, neste trabalho objetivou-se investigar o impacto do bagaço da cana-de-açúcar sobre a composição e funcionalidade das espécies microbianas residentes no rúmen de carneiros (Ovis aries). Foram utilizados seis animais machos fistulados de O. aries, dos quais três foram alimentados com uma dieta composta por 70% de volumoso e 30% de concentrado (tratamento controle) e outros três animais alimentados com uma dieta similar a anterior, mas com 14% do volumoso substituído por bagaço de cana-de-açúcar (tratamento bagaço). O conteúdo ruminal (líquido e fibra) foram amostrados quinzenalmente durante 60 dias. A partir dessas amostras foram acessadas a estrutura e a composição da comunidade microbiana pela extração de DNA total e amplificação das regiões V3 e V6-V7 do gene 16S rRNA bacteriano e a região intergênica fúngica (ITS2). Além disso, foram feitas análises metagenômicas e metatranscriptômicas de comunidade microbianas enriquecidas em fibra ruminal para identificar enzimas lignocelulolíticas expressas. As frações líquida e fibrosa do conteúdo ruminal de O. aries revelaram uma comunidade bacteriana dominada principalmente por Bacteroidetes e Firmicutes ao longo de todo período experimental. Dois gêneros, Prevotella e Ruminococcus representaram 20% e 4% da comunidade bacteriana ruminal, respectivamente. Para a comunidade fúngica o filo Neocallimastigomycota representou 91% das sequências e os principais gêneros deste filo foram Piromyces, Neocallimastix, Orpinomyces, Anaeromyces, Caecomyces e Cyllamyces aderidos a fibra ruminal. O gênero Caecomyces, foi significativamente mais abundante na fibra ruminal de animais que se alimentaram de bagaço de cana-de açúcar. Além disso, foi observado um aumento significativo na frequência de enzimas como, por exemplo, 1,4-α-glucano, α-galactosidase, endo 1,4-β-xilanase, β- xilosidase, xilose isomerase, celobiose fosforilase e α-N-arabinofuranosidase no tratamento com bagaço de cana-de-açúcar. Considerando que a recuperação de enzimas a partir de comunidades microbianas naturalmente selecionadas para a degradação de biomassa é uma estratégia promissora para superar a atual ineficiência da ação enzimática na produção industrial de biocombustíveis, os resultados deste trabalho representam a possibilidade de aumentar a capacidade de recuperação ou descoberta de enzimas a partir de ruminantes, ou ainda, a possibilidade de manipular a estrutura do microbioma do rúmen para usá-lo como fonte de inóculo enriquecido em processos industriais de degradação de biomassa.