A bactéria Zymomonas mobilis atraiu considerável interesse nas últimas décadas devido ao seu metabolismo único e a suas eficientes características fermentativas na produção de etanol através de açúcares simples. Além disso, dependendo do substrato utilizado outros produtos podem ser obtidos como ácido lático, ácido acético, ácido fórmico, acetona, levana, e sorbitol. Na literatura, a Z. mobilis tem sido proposta como microrganismo mais promissor que a convencional levedura Sacharomyces cerevisiae para a produção industrial de etanol. Na fermentação em modo contínuo o microrganismo apresenta oscilações (i.e., bifurcações Hopf) em baixas taxas de diluição (Df < 0,1/h). Diversos modelos têm sido propostos para descrever a dinâmica oscilatória do cultivo contínuo de Z. mobilis. Entre tais está o modelo de Jöbses et al. (1986) que foi ajustado experimentalmente em baixas taxas de diluição (Df < 0,1/h) e concentrações médias de substrato alimentado (Cso = 150 kg/m³). Recentemente, o modelo foi extrapolado por Elnashaine et al. (2006) que encontrou uma região operacional muito mais rentável a altas taxas de diluição (Df < 2,0/h) e concentração de substrato (Cso = 200 kg/m³). Embora o modelo de Jöbses não tenha sido validado nesta região, nossa contribuição assumirá que esta extrapolação é aceitável e então uma estratégia de controle foi proposta para manter o sistema trabalhando nesta região operacional. Para uma aplicação industrial bem sucedida da Z. mobilis, é necessário uma estratégia de controle eficiente e simples. Esse trabalho analisa o problema de controle e otimização de um biorreator contínuo de biosíntese de etanol pela bactéria modelado por Jöbses et al. (1986). Esse sistema apresenta multiplicidade de equilíbrios em determinadas condições operacionais. A idéia é manter o processo próximo à região de maior produtividade, localizada nas proximidades de um conjunto de bifurcações sela (onde o sistema torna-se instável). Baseado em uma análise sistemática da controlabilidade do sistema usando o índicie não-linear RPN percebe-se que é possível controlar o processo usando um controlador linear. Finalmente o trabalho aborda algumas características importantes no sistema de controle como a utilização de uma transformada nas ações do controlador com vistas a manter o biorreator no ótimo operacional. / Zymomonas mobilis has attracted considerable interest over the past decades pursuant to its unique metabolism and ability to rapidly and efficiently produce ethanol from simple sugars. In addition to ethanol depending on the substrate other fermentation products can occur, such as lactic acid, acetic acid, formic acid, acetone, and sorbitol. In the literature, Zymomonas mobilis has been proposed as a more promising microorganism than conventional yeast Saccharomyces cerevisiae for industrial production of ethanol. The major drawback of this microorganism is that it exhibits sustained oscillations (i.e., Hopf bifurcation) for low dilution rates (i.e., ,Df <=0.1 h-1) when grown in continuous mode. This leads to decreased ethanol productivity and less efficient use of available substrate. Various models have been proposed to describe the oscillatory dynamics of continuous Zymomonas mobilis cultures. One of them is the Jöbses et al. (1986) model that was fitted to experimental data with low dilution rate (i.e.,Df <= 0.1 h-1) and middle inlet substrate concentration (i.e., Cso~=150 kg/m³). Later, it was extrapolated outside of this operating region by Elnashaie et al. (2006), who have found a much more profitable operating region at higher dilution rates (Df~= 2.0 h -¹) and inlet concentrations (Cso~= 200 kg/m³). Notwithstanding the Jöbses's models has not been validated at this region, our contribution will assume that this extrapolation is acceptable and we will propose a control strategy to maintain the system working at this more profitable operating region. For a successful application of any industrial Z. mobilis facility, it is necessary to have an efficient and simple control strategy. This work analyzes the control and optimization problem of a continuous Z. mobilis bioreactor modeled by Jöbses et al. (1986). This system has steady state multiplicity in part of the operating range. The idea is to maintain the process close to the manifold border where is achievable the highest ethanol production. Based on a systematically analysis of the operational controllability using the nonlinear RPN indices it is identified that the process can be controlled using a linear controller. Finally in this work is proposed a variable transformation that makes easy to maintain the bioreactor close to the optimum.

A bactéria Zymomonas mobilis atraiu considerável interesse nas últimas décadas devido ao seu metabolismo único e a suas eficientes características fermentativas na produção de etanol através de açúcares simples. Além disso, dependendo do substrato utilizado outros produtos podem ser obtidos como ácido lático, ácido acético, ácido fórmico, acetona, levana, e sorbitol. Na literatura, a Z. mobilis tem sido proposta como microrganismo mais promissor que a convencional levedura Sacharomyces cerevisiae para a produção industrial de etanol. Na fermentação em modo contínuo o microrganismo apresenta oscilações (i.e., bifurcações Hopf) em baixas taxas de diluição (Df < 0,1/h). Diversos modelos têm sido propostos para descrever a dinâmica oscilatória do cultivo contínuo de Z. mobilis. Entre tais está o modelo de Jöbses et al. (1986) que foi ajustado experimentalmente em baixas taxas de diluição (Df < 0,1/h) e concentrações médias de substrato alimentado (Cso = 150 kg/m³). Recentemente, o modelo foi extrapolado por Elnashaine et al. (2006) que encontrou uma região operacional muito mais rentável a altas taxas de diluição (Df < 2,0/h) e concentração de substrato (Cso = 200 kg/m³). Embora o modelo de Jöbses não tenha sido validado nesta região, nossa contribuição assumirá que esta extrapolação é aceitável e então uma estratégia de controle foi proposta para manter o sistema trabalhando nesta região operacional. Para uma aplicação industrial bem sucedida da Z. mobilis, é necessário uma estratégia de controle eficiente e simples. Esse trabalho analisa o problema de controle e otimização de um biorreator contínuo de biosíntese de etanol pela bactéria modelado por Jöbses et al. (1986). Esse sistema apresenta multiplicidade de equilíbrios em determinadas condições operacionais. A idéia é manter o processo próximo à região de maior produtividade, localizada nas proximidades de um conjunto de bifurcações sela (onde o sistema torna-se instável). Baseado em uma análise sistemática da controlabilidade do sistema usando o índicie não-linear RPN percebe-se que é possível controlar o processo usando um controlador linear. Finalmente o trabalho aborda algumas características importantes no sistema de controle como a utilização de uma transformada nas ações do controlador com vistas a manter o biorreator no ótimo operacional. / Zymomonas mobilis has attracted considerable interest over the past decades pursuant to its unique metabolism and ability to rapidly and efficiently produce ethanol from simple sugars. In addition to ethanol depending on the substrate other fermentation products can occur, such as lactic acid, acetic acid, formic acid, acetone, and sorbitol. In the literature, Zymomonas mobilis has been proposed as a more promising microorganism than conventional yeast Saccharomyces cerevisiae for industrial production of ethanol. The major drawback of this microorganism is that it exhibits sustained oscillations (i.e., Hopf bifurcation) for low dilution rates (i.e., ,Df <=0.1 h-1) when grown in continuous mode. This leads to decreased ethanol productivity and less efficient use of available substrate. Various models have been proposed to describe the oscillatory dynamics of continuous Zymomonas mobilis cultures. One of them is the Jöbses et al. (1986) model that was fitted to experimental data with low dilution rate (i.e.,Df <= 0.1 h-1) and middle inlet substrate concentration (i.e., Cso~=150 kg/m³). Later, it was extrapolated outside of this operating region by Elnashaie et al. (2006), who have found a much more profitable operating region at higher dilution rates (Df~= 2.0 h -¹) and inlet concentrations (Cso~= 200 kg/m³). Notwithstanding the Jöbses's models has not been validated at this region, our contribution will assume that this extrapolation is acceptable and we will propose a control strategy to maintain the system working at this more profitable operating region. For a successful application of any industrial Z. mobilis facility, it is necessary to have an efficient and simple control strategy. This work analyzes the control and optimization problem of a continuous Z. mobilis bioreactor modeled by Jöbses et al. (1986). This system has steady state multiplicity in part of the operating range. The idea is to maintain the process close to the manifold border where is achievable the highest ethanol production. Based on a systematically analysis of the operational controllability using the nonlinear RPN indices it is identified that the process can be controlled using a linear controller. Finally in this work is proposed a variable transformation that makes easy to maintain the bioreactor close to the optimum.

A bactéria Zymomonas mobilis atraiu considerável interesse nas últimas décadas devido ao seu metabolismo único e a suas eficientes características fermentativas na produção de etanol através de açúcares simples. Além disso, dependendo do substrato utilizado outros produtos podem ser obtidos como ácido lático, ácido acético, ácido fórmico, acetona, levana, e sorbitol. Na literatura, a Z. mobilis tem sido proposta como microrganismo mais promissor que a convencional levedura Sacharomyces cerevisiae para a produção industrial de etanol. Na fermentação em modo contínuo o microrganismo apresenta oscilações (i.e., bifurcações Hopf) em baixas taxas de diluição (Df < 0,1/h). Diversos modelos têm sido propostos para descrever a dinâmica oscilatória do cultivo contínuo de Z. mobilis. Entre tais está o modelo de Jöbses et al. (1986) que foi ajustado experimentalmente em baixas taxas de diluição (Df < 0,1/h) e concentrações médias de substrato alimentado (Cso = 150 kg/m³). Recentemente, o modelo foi extrapolado por Elnashaine et al. (2006) que encontrou uma região operacional muito mais rentável a altas taxas de diluição (Df < 2,0/h) e concentração de substrato (Cso = 200 kg/m³). Embora o modelo de Jöbses não tenha sido validado nesta região, nossa contribuição assumirá que esta extrapolação é aceitável e então uma estratégia de controle foi proposta para manter o sistema trabalhando nesta região operacional. Para uma aplicação industrial bem sucedida da Z. mobilis, é necessário uma estratégia de controle eficiente e simples. Esse trabalho analisa o problema de controle e otimização de um biorreator contínuo de biosíntese de etanol pela bactéria modelado por Jöbses et al. (1986). Esse sistema apresenta multiplicidade de equilíbrios em determinadas condições operacionais. A idéia é manter o processo próximo à região de maior produtividade, localizada nas proximidades de um conjunto de bifurcações sela (onde o sistema torna-se instável). Baseado em uma análise sistemática da controlabilidade do sistema usando o índicie não-linear RPN percebe-se que é possível controlar o processo usando um controlador linear. Finalmente o trabalho aborda algumas características importantes no sistema de controle como a utilização de uma transformada nas ações do controlador com vistas a manter o biorreator no ótimo operacional. / Zymomonas mobilis has attracted considerable interest over the past decades pursuant to its unique metabolism and ability to rapidly and efficiently produce ethanol from simple sugars. In addition to ethanol depending on the substrate other fermentation products can occur, such as lactic acid, acetic acid, formic acid, acetone, and sorbitol. In the literature, Zymomonas mobilis has been proposed as a more promising microorganism than conventional yeast Saccharomyces cerevisiae for industrial production of ethanol. The major drawback of this microorganism is that it exhibits sustained oscillations (i.e., Hopf bifurcation) for low dilution rates (i.e., ,Df <=0.1 h-1) when grown in continuous mode. This leads to decreased ethanol productivity and less efficient use of available substrate. Various models have been proposed to describe the oscillatory dynamics of continuous Zymomonas mobilis cultures. One of them is the Jöbses et al. (1986) model that was fitted to experimental data with low dilution rate (i.e.,Df <= 0.1 h-1) and middle inlet substrate concentration (i.e., Cso~=150 kg/m³). Later, it was extrapolated outside of this operating region by Elnashaie et al. (2006), who have found a much more profitable operating region at higher dilution rates (Df~= 2.0 h -¹) and inlet concentrations (Cso~= 200 kg/m³). Notwithstanding the Jöbses's models has not been validated at this region, our contribution will assume that this extrapolation is acceptable and we will propose a control strategy to maintain the system working at this more profitable operating region. For a successful application of any industrial Z. mobilis facility, it is necessary to have an efficient and simple control strategy. This work analyzes the control and optimization problem of a continuous Z. mobilis bioreactor modeled by Jöbses et al. (1986). This system has steady state multiplicity in part of the operating range. The idea is to maintain the process close to the manifold border where is achievable the highest ethanol production. Based on a systematically analysis of the operational controllability using the nonlinear RPN indices it is identified that the process can be controlled using a linear controller. Finally in this work is proposed a variable transformation that makes easy to maintain the bioreactor close to the optimum.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4085.pdf: 6460777 bytes, checksum: 9367318799fc091b43ee6716e5057271 (MD5) Previous issue date: 2011-12-22 / Financiadora de Estudos e Projetos / High cell density cultivations of recombinant E. coli are a fast and economical way to produce recombinant proteins. Through this bioprocess, products with high added value and pharmaceuticals of great importance such as insulin, human and bovine growth hormone, protein antigens for formulation of vaccines, enzymes, among others, are obtained. However, keeping these cultivations within the desired conditions becomes a major challenge, since some variables such as dissolved oxygen concentration (DOC) and substrate concentration are difficult to control. Therefore, the development and implementation of an automatic monitoring and control tool are key requirements for the performance of high density cultivation. The present work has as main objectives to study feeding strategies for high cell density cultivation of recombinant Escherichia coli and develop a computational tool capable of ensuring the implementation of the chosen strategies, performing the monitoring, control and supervision of the cultivations. Fed batch cultivations were carried out under the supervision of the tool in a 5 L in-house bioreactor, equipped with sensors for temperature, dissolved oxygen, pH, pressure and biomass (sensor that measures the concentration of viable cells based on permittivity measurements), peristaltic pumps and connected to the gas analyzer. The tool was developed with LabView 8.0 and MatLab 6.5, being the acquisition and communication with the different bioreactor accessories via compact Field Point. Twenty two fed-batch cultivations with 5 different clones of E. coli, BL21(D3) expressing the enzyme penicillin G acylase (PGA) as well as antigenic proteins of S. pneumoniae (PspA3, PspA245 and PspA4Pro) and E. rhusiopathiae (SpaA) were performed during the development of the tool and the studies of feeding strategy. Both defined medium (HDF modified) as complex medium (ZYM-5052 modified), usually having glycerol as main carbon source and IPTG or lactose as inducers were used. In all cultivations, samples were collected to quantify the concentration of cells (dry weight method in filter of 0.22 &#61676;m and optical density at 600 nm), organic acids, glucose, glycerol and lactose (HPLC) as well as protein expression (densitometry and NIPAB method for PGA) and plasmid stability (plating). The tool SUPERSYS_HCDCR (registered as a free software) developed, implemented and validated in the performed cultivations, carries out the basic functions of bioreactor supervision software, such as monitoring and data acquisition of pressure, temperature, pH, DOC, fraction of CO2 and O2 in the outlet gas as well as real-time estimate of the respiratory quotient, the rate of oxygen consumption and CO2 production. However, it also has the following special features, including: i) automatic control of air and oxygen flow according to cellular demand, ii) automatic activation of the feed pump at the end of the batch; iii) automatic control of feeding flow rate as function of the specific growth rate inferred in real time; iv) automatic control of feeding flow rate constrained by the concentration of dissolved oxygen, v) audible alarms indicating failures in the process; vi) failure messages sent via email; vii) automatic control of dissolved oxygen concentration; viii) control of the bioreactor pressure; and ix) control of bath temperature. Regarding the studies of feeding strategies aimed at biomass productivity increase in high cell density cultivations of recombinant E. coli, using the supervision tool developed together with changes in the composition of the synthetic culture medium available in the literature, a cellular concentrations greater than 150 g/L was achieved in less than 24 hours of cultivation, corresponding to a productivity of 9.2 g/Lh. This value, which is higher than the reported in the literature, was obtained without acetate accumulation and allowing high production of recombinant protein. / Cultivos de alta densidade celular de E. coli recombinante constituem uma tecnica rapida e economica para producao de proteinas recombinantes. Por meio deste bioprocesso, sao obtidos produtos de alto valor agregado e de grande importancia na industria farmaceutica, tais como insulina, hormonios de crescimento humano e bovino, antigenos proteicos para formulacao de vacinas, enzimas, dentre outros. Entretanto, manter estes cultivos dentro das condicoes desejadas se torna um grande desafio, em funcao da dificuldade de controlar variaveis como a concentracao de oxigenio dissolvido (COD) e a concentracao de substrato nos niveis desejados. Por isso, o desenvolvimento e a implementacao de sistemas automaticos de supervisao e controle sao requisitos fundamentais para o bom desempenho de um cultivo de alta densidade. O presente trabalho teve como principais objetivos estudar estrategias de alimentacao para cultivos de alta densidade celular de Escherichia coli recombinante e desenvolver uma ferramenta computacional para suporte na execucao das estrategias escolhidas, realizando o monitoramento, controle e supervisao dos cultivos. Os cultivos em batelada alimentada realizados sob supervisao da ferramenta foram conduzidos em biorreator de 5 L, equipado com sensores de temperatura, oxigenio dissolvido, pH, pressao e biomassa (sensor que mede a concentracao de celulas viaveis a partir dos dados de permissividade), bombas peristalticas e conectado a analisador de gases. A ferramenta foi desenvolvida com os programas LabView 8.0 e MatLab 6.5, sendo a aquisicao e a comunicacao com os diferentes acessorios do biorreator realizada via compact Field Point (National Instruments). Vinte e dois cultivos em batelada alimentada com 5 diferentes clones de E. coli, BL21(D3) expressando a enzima penicilina G acilase (PGA) assim como proteinas antigenicas de Streptococcus pneumoniae (PspA3, PspA245 e PspA4Pro) e de Erysipelothrix rhusiopathiae (SpaA) foram realizados durante o desenvolvimento da ferramenta e dos estudos de estrategia de alimentacao, empregando tanto meio definido (HDF modificado) como meio complexo (ZYM-5052 modificado), tendo glicerol ou glicose como principal fonte de carbono e IPTG ou lactose como indutores. Em todos os cultivos, amostras foram coletadas para quantificar a concentracao de celulas (metodo de massa seca em filtro de 0,22&#61676;m e leitura da densidade otica a 600 nm), de acidos organicos, glicose, glicerol e lactose (HPLC) e a expressao da proteina (densitometria e metodo NIPAB para a PGA) e a estabilidade de plasmideo (plaqueamento). A ferramenta SUPERSYS_HCDCR (registrada como software livre) desenvolvida, implementada e validada nos cultivos realizados, desempenha as funcoes basicas de softwares de supervisao de biorreatores, tais como: monitoramento e aquisicao de dados de pressao, temperatura, pH, COD, fracao de CO2 e de O2 nos gases de saida; estimativa em tempo real do quociente respiratorio, das velocidades de consumo de oxigenio e de producao de CO2. Esta ferramenta apresenta as seguintes funcionalidades especiais: i) controle automatico das vazoes de ar e de oxigenio de acordo com a demanda celular; ii) acionamento automatico da bomba de alimentacao ao final da batelada; iii) controle automatico da vazao de alimentacao em funcao da velocidade especifica de crescimento inferida em tempo real; iv) controle automatico da alimentacao com restricoes pela concentracao de oxigenio dissolvido; v) alarmes sonoros indicando falhas no processo; vi) envio de mensagens de falhas por email; vii) controle automatico da concentracao de oxigenio dissolvido; viii) controle de seguranca da pressao do biorreator, e ix) controle da temperatura do banho. Em relacao aos estudos das estrategias de alimentacao visando ao aumento da produtividade em biomassa em cultivos de alta densidade celular de E. coli recombinante, com o auxilio da ferramenta de supervisao desenvolvida aliada a modificacoes na composicao do meio de cultivo sintetico disponivel na literatura, foram alcancadas concentracoes celulares maiores que 150 g/L em menos de 24 h de tempo total de cultivo, levando a uma produtividade de 9,2 g/Lh, a qual e superior aos valores relatados na literatura, sem acumulo de acetato e possibilitando elevada producao da proteina recombinante.