Para viabilizar a produção industrial de pigmentos é fundamental desenvolver alternativas de processo que possam ser aplicadas em larga escala no conceito de biorrefinaria. Nesse contexto, foi proposto a utilização de tensoativos nas diferentes etapas do processo da produção de pigmentos utilizando o bagaço de cana-de-açúcar como biomassa modelo, tais como pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação. Diferentes estratégias de aplicação de surfactantes foram estudadas durante o processamento da produção de pigmentos pelo fungo filamentoso Monascus ruber. Primeiramente, no processo de hidrólise enzimática da celulignina do bagaço de cana-de-açúcar (obtida a partir de um tratamento ácido diluído) feito em frascos Erlenmeyer. Um experimento de Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) foi realizado para determinar a influência de diferentes proporções (0,5-2,5%) de tensoativos não iônicos, de forma a melhorar sequencialmente a produção de açúcares de 2ª geração e biopigmentos. Os resultados obtidos proporcionaram uma melhora de 1,77 vezes na liberação de açúcares monoméricos em relação aos controles sem surfactante. Experimentos empregando a formulação otimizada de tensoativos (SOF-Surfactant optimized formulation) (Tween 20-PEG) mostraram um efeito positivo na carga enzimática, com resultados semelhantes empregando dosagens de 2,5 FPU/g de biomassa (adição de SOF) e 10 FPU/g de biomassa (sem SOF). Além disso, sob a SOF, foi determinado que a estabilidade da enzima foi mantida em altas temperaturas e forças de cisalhamento. Também foi observado que a produção de biopigmentos foi 5 vezes maior em meio à base de glicose. Finalmente, sob a hidrólise e fermentação separadas (SHF) e sacarificação e fermentação semi-simultânea (SSSF) a produção máxima de biopigmentos foi de 10 UA_510nm/mL e 1,5 UA_510nm/mL, respectivamente. No processo SSSF, o pigmento adsorvido na biomassa atingiu valores de aproximadamente 9 UA_510nm/mL durante a primeira extração (realizaram-se 4 extrações). Paralelamente, foi realizado um segundo estudo utilizando o hidrolisado hemicelulósico obtido a partir da hidrólises ácida do bagaço da cana-deaçúcar para a produção de pigmentos de Monascus. Inicialmente, diferentes tensoativos não iônicos foram testados separadamente e em mistura para avaliar um possível sinergismo e para potencializar a liberação de pigmentos extracelulares durante a etapa de fermentação. Após esta avaliação inicial, Tween 80 e Triton X-100 foram selecionados, e um experimento DCCR foi realizado para encontrar a melhor formulação para produzir pigmentos de Monascus a partir de um meio rico à base de xilose. Os resultados mostraram um incremento de quatro vezes na produção de biopigmentos vermelhos quando a SOF obtida foi utilizada na fermentação de hidrolisados hemicelulósicos de subprodutos da cana-de-açúcar. No foi detectada a produção de citrinina, e os pigmentos produzidos também demonstraram alta estabilidade térmica. Por fim, uma última estratégia no uso de surfactantes foi estudada na etapa de pré-tratamento. O Tween 80 foi selecionado após alguns estudos preliminares e um pré-tratamento alcalino assistido por surfactantes e cavitação hidrodinâmica para bagaço de cana-de-açúcar foi avaliado. Um novo experimento DCCR foi realizado para encontrar a melhor relação entre NaOH:Tween 80 para aumentar a produção de açúcares monoméricos na sacarificação enzimática do bagaço de cana-de-açúcar. Na condição otimizada, foi relatado um incremento de 40% na remoção de lignina em relação ao controle. A biomassa pré-tratada também foi utilizada para produzir pigmentos de Monascus mediante uma estratégia SSSF em reator de leito fluidizado, obtendo uma produção máxima de 3,86 UA_510nm/mL. Em todas as etapas avaliadas, os tensoativos se mostraram como moléculas-chave para a conversão do bagaço da cana-de-açúcar em produtos de alto valor agregado como os pigmentos de Monascus, fato que se destaca por sua possível integração a estratégias de intensificação de processos em um conceito de biorrefinaria.

To make industrial pigment production viable, it is essential to develop process alternatives that can be applied on a large scale in a biorefinery concept. In this context, it was proposed the use of surfactants in different stages of the pigment production process such as pretreatment, enzymatic hydrolysis and, fermentation using sugarcane bagasse as model biomass. Different surfactante application strategies were studied during the processing of pigment production by the fungus Monascus ruber. First, in the enzymatic hydrolysis process of sugarcane bagasse cellulignin (obtained from a diluted acid treatment) conducted in Erlenmeyer flasks, a Central Composite Rotatable Design (CCRD) was performed to determine the influence of different ratios (0.5-2.5%) of non-ionic surfactants to sequentially improve the production of 2nd generation sugars and Monascus pigments. The results obtained yielded an improvement of 1.77 times, considering the release of monomeric sugars, compared to controls without surfactant. Experiments employing the obtained surfactant optimized formulation (SOF) (Tween 20-PEG) showed a positive effect on the enzymatic loading, showing similar results employing dosages of 2.5 FPU/g of biomass (SOF addition) and 10 FPU/g of biomass (without SOF). Also, under the SOF, it was reported that the enzyme stability is maintained at high shear force stress and temperatures. Additionally, it was observed that the production of biopigments was 5-fold higher in glucose-based medium. Finally, under separate hydrolysis and fermentation (SHF), and semi-simultaneous saccharification and fermentation (SSSF) the maximum biopigments production were of 10 AU_510nm/mL and 1.5 AU_510nm/mL, respectively. In the SSSF process, pigment adsorbed in the biomass was found with values of approximately 9 AU_510nm/mL during the first extraction (4 extractions were carried out). In parallel, a second study was conducted using the hemicellulosic hydrolysate obtained from the acid hydrolysate of sugarcane bagasse to produce Monascus pigments. Initially, different non-ionic surfactants were tested in separate and in blend to evaluate a possible synergism between them to enhance the release of extracellular pigments during the fermentation stage. After this initial evaluation, Tween 80 and Triton X-100 were selected and a CCRD experiment was performed to find the better formulation to produce Monascus pigments from a rich xylose-based medium. The results showed a four-fold increment in red biopigments production when the SOF was used in the fermentation of hemicellulosic hydrolysates of sugarcane by-products. The produced pigments also demonstrate high thermal stability and absence in citrinin production. Finally, a last strategy in the use of surfactants was studied at the pretreatment stage. Tween 80 was selected after some preliminary studies and a hydrodynamic cavitation surfactant-assist alkaline pretreatment for sugarcane bagasse was evaluated. A new CCRD experiment was performed to find the best NaOH: Tween 80 relation to enhance the production of monomeric sugars in the enzymatic saccharification of sugarcane bagasse. In the optimized condition, a 40% increment in the removal of lignin, compared to the control was reported. The pretreated biomass was also used to produce Monascus pigments with an SSSF strategy in a fluidized bed reactor, with a maximum production of 3.86 AU_510nm/mL. At all stages evaluated, surfactants were key molecules for the conversion of sugarcane bagasse to produce high value-added products as Monascus pigments, fact that is highlighted for its possible integration to intensification processes strategies in a biorefinery concept.