954 resultados para sugarcane-ethanol-production
Resumo:
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
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This work was focused on the steam explosion pretreatment reproduction and alkaline delignification reactions on a pilot scale for the ethanol production, through different varieties of natural sugarcane bagasse, pretreated bagasse and delignified pretreated bagasse (cellulosic pulp). The possible chemical composition differences of the various types of bagasse, as well as the chemical composition variations of the materials in the 20 processes of pretreatment and delignification on the pilot scale were verified. The analytical results of the 20 samples of most diverse varieties and origins of natural sugarcane bagasse considering planting soils, planting periods and weather; show no significant chemical differences. It is evident that only with the chemical composition it is not possible to verify the differences between the varieties of sugarcane bagasses. The research results may offer some evidences of these varieties, but it is not a reliable parameter. The pilot process of steam explosion pretreatment and the alkaline delignification process of pretreated material showed through analytical results a good capacity of reproduction, as the standard differences were below 2.7. The average allowed in the pretreatment and alkaline delignification processes were 66.1 +/- 0.8 and 51.5 +/- 2.6 respectively, ensuring an excellent reproduction capacity of the processes obtained through chemical characterizations. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.
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The baker s yeast Saccharomyces cerevisiae has a long tradition in alcohol production from D-glucose of e.g. starch. However, without genetic modifications it is unable to utilise the 5-carbon sugars D-xylose and L arabinose present in plant biomass. In this study, one key metabolic step of the catabolic D-xylose pathway in recombinant D-xylose-utilising S. cerevisiae strains was studied. This step, carried out by xylulokinase (XK), was shown to be rate-limiting, because overexpression of the xylulokinase-encoding gene XKS1 increased both the specific ethanol production rate and the yield from D xylose. In addition, less of the unwanted side product xylitol was produced. Recombinant D-xylose-utilizing S. cerevisiae strains have been constructed by expressing the genes coding for the first two enzymes of the pathway, D-xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XDH) from the D-xylose-utilising yeast Pichia stipitis. In this study, the ability of endogenous genes of S. cerevisiae to enable D-xylose utilisation was evaluated. Overexpression of the GRE3 gene coding for an unspecific aldose reductase and the ScXYL2 gene coding for a xylitol dehydrogenase homologue enabled growth on D-xylose in aerobic conditions. However, the strain with GRE3 and ScXYL2 had a lower growth rate and accumulated more xylitol compared to the strain with the corresponding enzymes from P. stipitis. Use of the strictly NADPH-dependent Gre3p instead of the P. stipitis XR able to utilise both NADH and NADPH leads to a more severe redox imbalance. In a S. cerevisiae strain not engineered for D-xylose utilisation the presence of D-xylose increased xylitol dehydrogenase activity and the expression of the genes SOR1 or SOR2 coding for sorbitol dehydrogenase. Thus, D-xylose utilisation by S. cerevisiae with activities encoded by ScXYL2 or possibly SOR1 or SOR2, and GRE3 is feasible, but requires efficient redox balance engineering. Compared to D-xylose, D-glucose is a cheap and readily available substrate and thus an attractive alternative for xylitol manufacture. In this study, the pentose phosphate pathway (PPP) of S. cerevisiae was engineered for production of xylitol from D-glucose. Xylitol was formed from D-xylulose 5-phosphate in strains lacking transketolase activity and expressing the gene coding for XDH from P. stipitis. In addition to xylitol, ribitol, D-ribose and D-ribulose were also formed. Deletion of the xylulokinase-encoding gene increased xylitol production, whereas the expression of DOG1 coding for sugar phosphate phosphatase increased ribitol, D-ribose and D-ribulose production. Strains lacking phosphoglucose isomerase (Pgi1p) activity were shown to produce 5 carbon compounds through PPP when DOG1 was overexpressed. Expression of genes encoding glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase of Bacillus subtilis, GapB, or NAD-dependent glutamate dehydrogenase Gdh2p of S. cerevisiae, altered the cellular redox balance and enhanced growth of pgi1 strains on D glucose, but co-expression with DOG1 reduced growth on higher D-glucose concentrations. Strains lacking both transketolase and phosphoglucose isomerase activities tolerated only low D-glucose concentrations, but the yield of 5-carbon sugars and sugar alcohols on D-glucose was about 50% (w/w).
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Sugarcane has garnered much interest for its potential as a viable renewable energy crop. While the use of sugar juice for ethanol production has been in practice for years, a new focus on using the fibrous co-product known as bagasse for producing renewable fuels and bio-based chemicals is growing in interest. The success of these efforts, and the development of new varieties of energy canes, could greatly increase the use of sugarcane and sugarcane biomass for fuels while enhancing industry sustainability and competitiveness. Sugarcane-Based Biofuels and Bioproducts examines the development of a suite of established and developing biofuels and other renewable products derived from sugarcane and sugarcane-based co-products, such as bagasse. Chapters provide broad-ranging coverage of sugarcane biology, biotechnological advances, and breakthroughs in production and processing techniques. This text brings together essential information regarding the development and utilization of new fuels and bioproducts derived from sugarcane. Authored by experts in the field, Sugarcane-Based Biofuels and Bioproducts is an invaluable resource for researchers studying biofuels, sugarcane, and plant biotechnology as well as sugar and biofuels industry personnel.
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A vida da sociedade atual é dependente dos recursos fósseis, tanto a nível de energia como de materiais. No entanto, tem-se verificado uma redução das reservas destes recursos, ao mesmo tempo que as necessidades da sociedade continuam a aumentar, tornando cada vez mais necessárias, a produção de biocombustíveis e produtos químicos. Atualmente o etanol é produzido industrialmente a partir da cana-de-açúcar e milho, matérias-primas usadas na alimentação humana e animal. Este fato desencadeou o aumento de preços dos alimentos em todo o mundo e, como consequência, provocou uma série de distúrbios sociais. Os subprodutos industriais, recursos independentes das cadeias alimentares, têm-se posicionado como fonte de matérias-primas potenciais para bioprocessamento. Neste sentido, surgem os subprodutos gerados em grande quantidade pela indústria papeleira. Os licores de cozimento da madeira ao sulfito ácido (SSLs) são uma matériaprima promissora, uma vez que durante este processo os polissacarídeos da madeira são hidrolisados originando açúcares fermentáveis. A composição dos SSLs varia consoante o tipo de madeira usada no processo de cozimento (de árvores resinosas, folhosas ou a mistura de ambas). O bioprocessamento do SSL proveniente de folhosas (HSSL) é uma metodologia ainda pouco explorada. O HSSL contém elevadas concentrações de açúcares (35-45 g.L-1), na sua maioria pentoses. A fermentação destes açúcares a bioetanol é ainda um desafio, uma vez que nem todos os microrganismos são capazes de fermentar as pentoses a etanol. De entre as leveduras capazes de fermentar naturalmente as pentoses, destaca-se a Scheffersomyces stipitis, que apresenta uma elevada eficiência de fermentação. No entanto, o HSSL contém também compostos conhecidos por inibirem o crescimento de microrganismos, dificultando assim o seu bioprocessamento. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho foi a produção de bioetanol pela levedura S. stipitis a partir de HSSL, resultante do cozimento ao sulfito ácido da madeira de Eucalyptus globulus. Para alcançar este objetivo, estudaram-se duas estratégias de operação diferentes. Em primeiro lugar estudou-se a bio-desintoxicação do HSSL com o fungo filamentoso Paecilomyces variotii, conhecido por crescer em resíduos industriais. Estudaram-se duas tecnologias fermentativas diferentes para a biodesintoxicação do HSSL: um reator descontínuo e um reator descontínuo sequencial (SBR). A remoção biológica de inibidores do HSSL foi mais eficaz quando se usou o SBR. P. variotii assimilou alguns inibidores microbianos como o ácido acético, o ácido gálico e o pirogalol, entre outros. Após esta desintoxicação, o HSSL foi submetido à fermentação com S. stipitis, na qual foi atingida a concentração máxima de etanol de 2.36 g.L-1 com um rendimento de 0.17 g.g-1. P. variotti, além de desintoxicar o HSSL, também é útil na produção de proteína microbiana (SCP) para a alimentação animal pois, a sua biomassa é rica em proteína. O estudo da produção de SCP por P. variotii foi efetuado num SBR com HSSL sem suplementos e suplementado com sais. A melhor produção de biomassa foi obtida no HSSL sem adição de sais, tendo-se obtido um teor de proteína elevado (82,8%), com uma baixa concentração de DNA (1,1%). A proteína continha 6 aminoácidos essenciais, mostrando potencial para o uso desta SCP na alimentação animal e, eventualmente, em nutrição humana. Assim, a indústria papeleira poderá integrar a produção de bioetanol após a produção SCP e melhorar a sustentabilidade da indústria de pastas. A segunda estratégia consistiu em adaptar a levedura S. stipitis ao HSSL de modo a que esta levedura conseguisse crescer e fermentar o HSSL sem remoção de inibidores. Operou-se um reator contínuo (CSTR) com concentrações crescentes de HSSL, entre 20 % e 60 % (v/v) durante 382 gerações em HSSL, com uma taxa de diluição de 0.20 h-1. A população adaptada, recolhida no final do CSTR (POP), apresentou uma melhoria na fermentação do HSSL (60 %), quando comparada com a estirpe original (PAR). Após esta adaptação, a concentração máxima de etanol obtida foi de 6.93 g.L-1, com um rendimento de 0.26 g.g-1. POP possuía também a capacidade de metabolizar, possivelmente por ativação de vias oxidativas, compostos derivados da lenhina e taninos dissolvidos no HSSL, conhecidos inibidores microbianos. Por fim, verificou-se também que a pré-cultura da levedura em 60 % de HSSL fez com que a estirpe PAR melhorasse o processo fermentativo em HSSL, em comparação com o ensaio sem pré-cultura em HSSL. No entanto, no caso da estirpe POP, o seu metabolismo foi redirecionado para a metabolização dos inibidores sendo que a produção de etanol decresceu.
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Land use has become a force of global importance, considering that 34% of the Earth’s ice-free surface was covered by croplands or pastures in 2000. The expected increase in global human population together with eminent climate change and associated search for energy sources other than fossil fuels can, through land-use and land-cover changes (LUCC), increase the pressure on nature’s resources, further degrade ecosystem services, and disrupt other planetary systems of key importance to humanity. This thesis presents four modeling studies on the interplay between LUCC, increased production of biofuels and climate change in four selected world regions. In the first study case two new crop types (sugarcane and jatropha) are parameterized in the LPJ for managed Lands dynamic global vegetation model for calculation of their potential productivity. Country-wide spatial variation in the yields of sugarcane and jatropha incurs into substantially different land requirements to meet the biofuel production targets for 2015 in Brazil and India, depending on the location of plantations. Particularly the average land requirements for jatropha in India are considerably higher than previously estimated. These findings indicate that crop zoning is important to avoid excessive LUCC. In the second study case the LandSHIFT model of land-use and land-cover changes is combined with life cycle assessments to investigate the occurrence and extent of biofuel-driven indirect land-use changes (ILUC) in Brazil by 2020. The results show that Brazilian biofuels can indeed cause considerable ILUC, especially by pushing the rangeland frontier into the Amazonian forests. The carbon debt caused by such ILUC would result in no carbon savings (from using plant-based ethanol and biodiesel instead of fossil fuels) before 44 years for sugarcane ethanol and 246 years for soybean biodiesel. The intensification of livestock grazing could avoid such ILUC. We argue that such an intensification of livestock should be supported by the Brazilian biofuel sector, based on the sector’s own interest in minimizing carbon emissions. In the third study there is the development of a new method for crop allocation in LandSHIFT, as influenced by the occurrence and capacity of specific infrastructure units. The method is exemplarily applied in a first assessment of the potential availability of land for biogas production in Germany. The results indicate that Germany has enough land to fulfill virtually all (90 to 98%) its current biogas plant capacity with only cultivated feedstocks. Biogas plants located in South and Southwestern (North and Northeastern) Germany might face more (less) difficulties to fulfill their capacities with cultivated feedstocks, considering that feedstock transport distance to plants is a crucial issue for biogas production. In the fourth study an adapted version of LandSHIFT is used to assess the impacts of contrasting scenarios of climate change and conservation targets on land use in the Brazilian Amazon. Model results show that severe climate change in some regions by 2050 can shift the deforestation frontier to areas that would experience low levels of human intervention under mild climate change (such as the western Amazon forests or parts of the Cerrado savannas). Halting deforestation of the Amazon and of the Brazilian Cerrado would require either a reduction in the production of meat or an intensification of livestock grazing in the region. Such findings point out the need for an integrated/multicisciplinary plan for adaptation to climate change in the Amazon. The overall conclusions of this thesis are that (i) biofuels must be analyzed and planned carefully in order to effectively reduce carbon emissions; (ii) climate change can have considerable impacts on the location and extent of LUCC; and (iii) intensification of grazing livestock represents a promising venue for minimizing the impacts of future land-use and land-cover changes in Brazil.
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A produção de etanol e a dominação da indústria, historicamente, tem sido uma fonte de discórdia para seus dois principais produtores. Os EUA com seu etanol de milho e o Brasil com sua etanol de cana, são os dois maiores produtores mundiais de etanol (1º EUA; 2º Brasil) e tem competido pela participação de mercado mundial há décadas. A partir de Dezembro de 2011, os EUA levantaram as tarifas e os subsídios que foram instalados para proteger sua indústria de etanol, o que muda o campo de jogo da produção mundial de etanol para o futuro. Atualmente em todo o mundo, o etanol é usado em uma proporção muito menor comparativamente a outros combustíveis. Esta pesquisa analisa o nível potencial de colaboração entre os EUA e o Brasil, facilitando um diálogo entre os stakeholders em etanol. A pesquisa consiste principalmente de conversas e entrevistas, com base em um conjunto de perguntas destinadas a inspirar conversas detalhadas e expansivas sobre os temas de relações Brasil-EUA e etanol. Esta pesquisa mostra que o etanol celulósico, que é também conhecido como etanol de segunda geração, oferece mais oportunidades de parceria entre os EUA e o Brasil, como há mais oportunidades para pesquisa e desenvolvimento em conjunto e transferência de tecnologia nesta área. Enquanto o etanol de cana no Brasil ainda é uma indústria próspera e crescente, o milho e a cana são muito diferentes geneticamente para aplicar as mesmas inovações exatas de um etanol de primeira geração, por outro. As semelhanças entre os processos de fermentação e destilação entre as matérias-primas utilizadas nos EUA e no Brasil para o etanol de segunda geração torna o investimento conjunto nesta área mais sensível. De segunda geração é uma resposta para a questão "alimentos versus combustíveis". Esta pesquisa aplica o modelo de co-opetição como um quadro de parceria entre os EUA e o Brasil em etanol celulósico. A pesquisa mostra que enquanto o etanol pode não ser um forte concorrente com o petróleo no futuro imediato, ele tem melhores perspectivas de ser desenvolvido como um complemento ao petróleo, em vez de um substituto. Como os EUA e o Brasil tem culturas de misturar etanol com petróleo, algo da estrutura para isso já está em vigor, a relação de complementaridade seria fortalecido através de uma política de governo clara e de longo prazo. A pesquisa sugere que apenas através desta colaboração, com toda a partilha de conhecimentos técnicos e estratégias econômicas e de desenvolvimento, o etanol celulósico será um commodity negociado mundialmente e uma alternativa viável a outros combustíveis. As entrevistas com os interessados em que esta pesquisa se baseia foram feitas ao longo de 2012. Como a indústria de etanol é muito dinâmica, certos eventos podem ter ocorrido desde esse tempo para modificar ou melhorar alguns dos argumentos apresentados.
Resumo:
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
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Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
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Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
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Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
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Metagenomics has been widely employed for discovery of new enzymes and pathways to conversion of lignocellulosic biomass to fuels and chemicals. In this context, the present study reports the isolation, recombinant expression, biochemical and structural characterization of a novel endoxylanase family GH10 (SCXyl) identified from sugarcane soil metagenome. The recombinant SCXyl was highly active against xylan from beechwood and showed optimal enzyme activity at pH 6,0 and 45°C. The crystal structure was solved at 2.75 Å resolution, revealing the classical (β/α)8-barrel fold with a conserved active-site pocket and an inherent flexibility of the Trp281-Arg291 loop that can adopt distinct conformational states depending on substrate binding. The capillary electrophoresis analysis of degradation products evidenced that the enzyme displays unusual capacity to degrade small xylooligosaccharides, such as xylotriose, which is consistent to the hydrophobic contacts at the +1 subsite and low-binding energies of subsites that are distant from the site of hydrolysis. The main reaction products from xylan polymers and phosphoric acid-pretreated sugarcane bagasse (PASB) were xylooligosaccharides, but, after a longer incubation time, xylobiose and xylose were also formed. Moreover, the use of SCXyl as pre-treatment step of PASB, prior to the addition of commercial cellulolytic cocktail, significantly enhanced the saccharification process. All these characteristics demonstrate the advantageous application of this enzyme in several biotechnological processes in food and feed industry and also in the enzymatic pretreatment of biomass for feedstock and ethanol production. © 2013 Alvarez et al.
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Brazil is a major sugarcane producer and São Paulo State cultivates 5.5 million hectares, close to 50% of Brazil's sugarcane area. The rapid increase in production has brought into question the sustainability of biofuels, especially considering the greenhouse gas (GHG) emissions associated to the agricultural sector. Despite the significant progress towards the green harvest practices, 1.67 million hectares were still burned in São Paulo State during the 2011 harvest season. Here an emissions inventory for the life cycle of sugarcane agricultural production is estimated using IPCC methodologies, according to the agriculture survey data and remote sensing database. Our hypothesis is that 1.67 million hectares shall be converted from burned to green harvest scenarios up to years 2021 (rate 1), 2014 (rate 2) or 2029 (rate 3). Those conversions would represent a significant GHG mitigation, ranging from 50.5 to 70.9 megatons of carbon dioxide equivalent (Mt CO2eq) up to 2050, depending on the conversion rate and the green harvest systems adopted: conventional (scenario S1) or conservationist management (scenario S2). We show that a green harvest scenario where crop rotation and reduced soil tillage are practiced has a higher mitigation potential (70.9 Mt CO2eq), which is already practiced in some of the sugarcane areas. Here we support the decision to not just stop burning prior to harvest, but also to consider other better practices in sugarcane areas to have a more sustainable sugarcane based ethanol production in the most dense cultivated sugarcane region in Brazil. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.
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Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)