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Agriculture, forestry, and processing industries generate significant amounts of organic residues with management costs and environmental risks. The conversion of residual lignocellulosic biomass into value-added products (chemicals, biofuels) enables a paradigm shift in waste management, e.g., the production of cellulosic bioethanol. In the present work, bioethanol production through simultaneous saccharification and fermentation (SSF) was used as a case study for the valorization of different forest residues (e.g., pine branches and stumps) and agro-industrial residues (primary pulp sludge from the pulp and paper industry, brewer’s spent grain, cereal residues, olive pomace and pits, rice straw, among others).Primary pulp sludge exhibited the highest conversion yields and, consequently, the highest ethanol production per ton of residue (dry basis), as a result of its low lignin content (3%) and high mass concentration of carbohydrates (CH). The main challenge in its bioconversion is the presence of ash (mainly CaCO₃), which increases pH and hinders enzymatic accessibility. To overcome this limitation, the SSF process was applied, during which partial neutralization of CaCO₃ occurs. The influence of different parameters on conversion efficiency was investigated: (i) solids content (up to 28%) or liquid-to-solid ratio, (ii) batch versus fed-batch operation, (iii) enzyme loading (5–35 FPU gCH⁻¹), and (iv) combined enzyme application. A preliminary scale-up study was also conducted. At the same solids content, ethanol concentration, yield, and productivity obtained in batch SSF were higher than those achieved under fed-batch operation, despite initial mixing difficulties. Increasing the solids content up to 22% enhanced these efficiency parameters; however, at the highest solids content tested (28%), ethanol yield and productivity decreased, despite an increase in ethanol concentration. At the highest solids concentration (28%), it was still possible to reduce the cellulase loading by 33%. An ethanol concentration of 73 g L⁻¹ was achieved with 5 FPU gCH⁻¹ of cellulase and 0.5% (w/w, based on total added protein) hemicellulase, with a conversion yield of 84%. Under these conditions, a production equivalent to 330 L of ethanol per ton of primary sludge is achievable.Pine wood has higher recalcitrance compared to other renewable resources, representing a considerable challenge for efficient conversion into bioethanol. Pine stumps, with a lignin content of 29–30% and 40% cellulose, were subjected to several pretreatment techniques under different operating conditions: steam explosion, organosolv (ethanol), alkaline treatment (NaOH), and NaOH-catalyzed organosolv. The latter enabled a delignification degree of 86–92%, while the cellulose content increased to 78–81% in the resulting pulps. These pulps were converted by SSF to 42.4 g L⁻¹ of ethanol, with a high yield (80%), corresponding to 259 L of ethanol per ton of stumps (overall yield of 67.5%). To fractionate pine wood into its structural components (cellulose, hemicelluloses, and lignin), autohydrolysis followed by NaOH-catalyzed organosolv was applied. Autohydrolysis removed 40–76% of hemicelluloses, depending on temperature and reaction time, which were solubilized in hydrolysates containing low concentrations of potential inhibitors. The resulting solid fractions, rich in cellulose and lignin, were subsequently subjected to NaOH-catalyzed organosolv. Delignification degrees of 93–95% and cellulose content increase up to 91% in the pulps were obtained. In the SSF of these pulps an ethanol concentration of 39 g L⁻¹ was produced, with an efficiency of 68%. The overall process yield was 27%, corresponding to a production of 127 L of ethanol per ton of pine wood.Rice straw was pretreated by acid-catalyzed organosolv, alkaline treatment, and combined alkaline–oxidative treatment. The highest delignification was obtained with the latter two treatments: ~90 and 95%, respectively. The SSF of the corresponding pulps yielded ethanol concentrations of 42 and 53 g L⁻¹, with efficiencies of 65 and 86%. However, the overall yield was highest when alkaline treatment was applied (48.8%, corresponding to 172 L of ethanol per ton of rice straw).This work demonstrated the technical feasibility of using different forest and agro-industrial residues abundant in Portugal as feedstocks for ethanol production and other potential co-products (derived from lignin and hemicellulose fractions) within a biorefinery context.

A agricultura, a silvicultura e as indústrias de transformação produzem quantidades significativas de resíduos orgânicos, com custos de gestão e risco ambiental. A transformação de biomassa residual lenhocelulósica em produtos de valor acrescentado (produtos químicos, biocombustíveis) permite a mudança de paradigma na gestão de resíduos, e.g. a produção de bioetanol celulósico. Nesta tese a produção de bioetanol, por processos de sacarificação e fermentação em simultâneo (SSF), foi usada como caso de estudo na valorização de diversos resíduos tanto florestais (e.g. ramos e cepos de pinheiro) como agro-industriais (lamas primárias da indústria de pasta e papel, dreche da indústria cervejeira, borras de cereais, bagaço e caroços de azeitona, palha de arroz, entre outros).As lamas primárias apresentaram maior rendimento de conversão e, por isso, maior volume de etanol produzido por tonelada (base seca) de resíduo, sendo uma consequência do baixo teor de lenhina (3%) e elevada concentração mássica de hidratos de carbono (CH). O maior desafio na sua bioconversão é a presença de cinzas (maioritariamente, CaCO3), que eleva o pH e dificulta o acesso das enzimas. Para colmatar esta limitação, aplicou-se o processo SSF, durante o qual ocorre a neutralização parcial do CaCO3. Foi estudada a influência de diferentes parâmetros sobre a eficiência do processo de conversão: i) teor de sólidos (até 28%) ou hidromódulo, ii) regime descontínuo vs. regime semi-descontínuo, iii) a dosagem enzimática (5 a 35 FPU gCH-1), iv) aplicação conjunta de enzimas. Também se procedeu a um estudo preliminar de aumento de escala. Para o mesmo teor de sólidos, a concentração de etanol, o rendimento e a produtividade obtidos no SSF em descontínuo foram superiores aos alcançados em semi-descontínuo, apesar das dificuldades iniciais de mistura. O aumento do teor de sólidos até 22% aumentou esses parâmetros de eficiência; no entanto, no teor máximo de sólidos testado (28%), o rendimento e a produtividade de etanol diminuíram, apesar do aumento da concentração de etanol. No SSF de lamas com a concentração de sólidos mais elevada (28%), ainda foi viável um decréscimo de 33% na carga enzimática de celulase. Obteve-se uma concentração de etanol de 73 g L-1 com 5 FPU gCH-1 de celulase e 0,5% (m/m, em base de proteína total adicionada) de hemicelulase, com um rendimento de conversão de 84%. Considerando este cenário, é possível produzir o correspondente a 330 L de etanol por tonelada de lamas primárias. A recalcitrância da madeira de pinheiro é maior quando comparada com outros recursos renováveis, representando um desafio considerável para a eficiente conversão em bioetanol. Os cepos, com teor de lenhina 29-30% e 40% de celulose, foram sujeitos a diversas técnicas e em diversas condições operatórias: explosão a vapor, organosolv (etanol), tratamento alcalino (NaOH) e organosolv catalisado com NaOH. Esta última permitiu alcançar uma deslenhificação de 86-92% enquanto o teor de celulose aumentou para 78-81% nas pastas resultantes. Estas pastas foram convertidas por SSF em 42.4 g L-1 de etanol, com rendimento elevado (80%), correspondendo a 259 L de etanol produzidos por tonelada de cepo (rendimento global de 67.5%). De modo a fracionar a madeira de pinheiro nos componentes estruturais (celulose, hemiceluloses e lenhina), usou-se autohidrólise seguida por organosolv alcalino. A autohidrólise permitiu remover 40-76% de hemiceluloses, dependendo da temperatura e do tempo de reação, dissolvidas nos hidrolisados que apresentaram baixas concentrações de potenciais inibidores. As frações sólidas obtidas apresentaram teores elevados de celulose e lenhina, tendo sido submetidas ao organosolv alcalino. Nesta etapa foi obtido um grau de deslenhificação de 93-95% e o teor de celulose aumentou até 91% nas pastas resultantes. No SSF destas pastas, foi produzida uma concentração de etanol de 39 g L-1 com 68% de eficiência. O rendimento global do processo foi de 27%, correspondente a uma produção de 127 L de etanol por tonelada de madeira de pinheiro.A palha de arroz foi pré-tratada por organosolv catalisado por ácido, tratamento alcalino e tratamento combinado alcalino-oxidativo. Os graus de deslenhificação mais elevados foram obtidos nestes últimos: ~90 e 95%, respetivamente. O processo SSF das correspondentes pastas permitiu obter 42 e 53 g L-1 de etanol, com eficiências de 65 e 86%. No entanto, o rendimento global foi mais elevado quando se aplicou o tratamento alcalino (48.8% - 172 L de etanol por tonelada de palha de arroz).Este trabalho demonstrou a viabilidade técnica de utilizar diferentes resíduos florestais e agro-industriais abundantes em Portugal como matérias-primas para produzir etanol e outros potenciais sub-produtos (a partir das frações de lenhina e hemiceluloses) no contexto de uma biorrefinaria.