Em biorreatores de agitação mecânica (STR), a circulação e a mistura do fluido são influenciadas pela configuração do equipamento e pela disposição dos impelidores e aspersores de gás. Já em biorreatores airlift, sua geometria e, principalmente, o tipo e forma de aspersão de oxigênio, têm primordial efeito tanto na transferência de oxigênio quanto no crescimento microbiano e na formação de produtos. Para o cultivo de Aspergillus oryzae IPT-301, o suprimento de oxigênio é um parâmetro fundamental, em razão do metabolismo unicamente aeróbio deste microrganismo. Neste contexto, analisou-se o transporte de massa gasosa em ambos os equipamentos, contendo fluidos com viscosidades distintas: água destilada e diferentes concentrações de soluções de pectina. Com estudos de mecânica dos fluidos, correlações matemáticas empíricas para determinação do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (KLa) foram utilizadas para relacionar os resultados experimentais com os calculados. A produção de pectinases também foi avaliada nesses equipamentos. O meio de cultivo continha sais nutrientes, extrato de levedura, glicose e pectina cítrica. Avaliaram-se diferentes configurações de impelidores Rushton e pitched blade, além de várias geometrias de aspersores de gás, tais como ferradura de aço inoxidável, pedra sinterizada, aeradores de aquário e de latão e funis de vidro sinterizado. Em STR, a análise fatorial mostrou que os maiores incrementos de KLa foram com a combinação de impelidores Rushton, em água, com aspersor do tipo aquário a 700rpm e 1,71L/L/min; em airlift, com o aspersor aquário, alocado na região externa do tubo interno, e com o aspersor pedra sinterizada. O modelo proposto por Miller (1974) foi o mais adequado para determinar a potência requerida pelos fluidos deste trabalho, em STR e sob aeração. O modelo de Wang et al. (1979), com adaptações, ajustou-se aos dados com água; e para as soluções de pectina, a correlação descrita por Badino Jr. et al. (2001) foi melhor ajustada. Três ensaios para produção enzimática foram processados em STR: ambos com três impelidores Rushton, aspersores dos tipos ferradura (A), aquário (B) e aquário com meio com pectina desesterificada (C). Em airlift, foram testadas as condições produtivas com os aspersores do tipo aquário (externo) (A), pedra sinterizada (B) e aquário (externo), com pectina desesterificada (C). Em STR, o melhor resultado de KLa, em meio isento de células, foi na condição C (29,88h-1), bem como vantagens econômicas como o menor tempo de permanência da máxima frequência dos agitadores (tf,máx) (A: 23h; B: 8,5h; C:5h). Porém, resultado superior de máxima produção de pectinases foi na condição B (A: 24,60U/mL; B: 25,53U/mL; C: 13,36U/mL) em tf,máx inferior à condição A. Em airlift, o transporte de oxigênio, em meio isento de células, foi mais favorecido em A (21,96h-1), bem como o menor tempo máximo para manter a máxima vazão específica do gás (A: 29h; B: 72h; C: 57h). Além disso, a máxima atividade enzimática foi superior na mesma condição (A: 24,61U/mL; B: 21,94U/mL; C: 2,29U/mL). Assim, conclui-se que, desde que planejadas as condições operacionais e de processo de produção de pectinases de A. oryzae, ambos os biorreatores podem ser aplicados na produção de pectinases fúngicas. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior,CAPES / In stirred tank reactors (STR), circulation and mixing of fluid are influenced by the reactor configuration and by how the impellers and the gas spargers are arranged in them. On the other hand, in airlift bioreactors, their geometry and especially the type and form of oxygen sparging have an effect on both oxygen transfer and on microbial growth and product formation. Oxygen supply for the cultivation of Aspergillus oryzae IPT-301 is a key parameter due to the aerobic metabolism of this microorganism. In this context, oxygen transfer in both equipments was analyzed. They contained fluids with different viscosities: distilled water and different concentrations of pectin solutions. Through the use of fluid mechanics studies, empirical mathematical correlations were used in order to determine the volumetric oxygen transfer coefficient (KLa) to match experimental and calculated results. Pectinase production was also assessed in those devices. The culture medium contained salts, yeast extract, glucose and citrus pectin. Different Rushton and pitched blade impeller configurations were evaluated, as well as various gas sparger geometries, such as stainless steel horseshoe, sintered stone, aquarium and brass spargers, and also sintered glass funnels. In STR, factorial design showed that the largest KLa value was obtained with the combination of Rushton impellers, in water, with the aquarium sparger, at 700rpm and 1.71L/min; in airlift, with the same sparger, put in the outer space of the inner tube and with the sintered stone sparger. The empirical correlation proposed by Miller (1974) was the most suitable one to determine the power requirement by the fluids in this work, in STR and under aeration. The correlation proposed by Wang et al. (1979), with adaptations, was better adjusted to the data set with water; the correlation described by Badino Jr. et al. (2001) was better suited for pectin solutions. Three tests for enzyme production were processed in STR: with three Rushton impellers, in all of them, and horseshoe (A), aquarium (B) and aquarium with non-esterified pectin medium (C) spargers. In airlift, enzyme production was tested with aquarium (external) (A), sintered stone (B) and aquarium (external) with non-esterified pectin (C) spargers. In STR, the best result of KLa in cell-free medium was provided in condition C (29.88h-1), as well as economic advantages such as shorter length of maintenance of the maximum impeller speed (tf,máx) (A: 23h; B: 8.5h; C: 5h). Nonetheless, higher pectinase production was obtained in condition B (A: 24.60U/mL; B: 25.53U/mL, C: 13.36U/mL) in tf,máx shorter than in condition A. In airlift, higher oxygen transfer in cell-free medium was obtained in condition A (21.96h-1), as well as the lowest length of maintenance of the maximum specific gas flow rate (A: 29h; B: 72h; C: 57h). Furthermore, maximum enzyme activity was higher in the same condition (A: 24.61U/mL; B: 21.94U/mL, C: 2.29U/mL). Thus, we conclude that if the operational conditions for pectinase production by A. oryzae are well planned, both bioreactors can be applied for the production of fungal pectinases.

Ácido lactobiônico e sorbitol têm importantes aplicações na indústria cosmética e farmacêutica. Esses produtos podem ser obtidos de forma equimolar em reações catalisadas por glicosefrutose oxidorredutase (GFOR) e glicono-δ-lactonase (GL), enzimas presentes no periplasma de Zymomonas mobilis. As reações são geralmente conduzidas com células bacterianas imobilizadas, sendo que a técnica de preparo deste biocatalisador demanda tempo, além de ser onerosa. Alternativas para a simplificação do preparo do biocatalisador imobilizado em alginato de cálcio e sua aplicação em diferentes regimes de operação e reatores foram estudadas neste trabalho, com o objetivo de aumentar o potencial de transferência dessa tecnologia para o setor industrial. Modificações na técnica de imobilização de Z. mobilis foram avaliadas quanto às concentrações do polímero e da solução de CaCl2 e do tempo de gelificação, buscando melhorar as propriedades mecânicas do gel e possibilitar sua utilização em reações repetidas. No caso, não foram observadas alterações significativas na resistência do suporte e nos parâmetros de avaliação da reação em qualquer das condições avaliadas. Assim, a técnica foi mantida na forma previamente definida: alginato de sódio, 2% (m/v); CaCl2, 0,3 mol/L; tempo de gelificação, 10 a 240 minutos. A reutilização do biocatalisador imobilizado por sete bateladas repetidas, num total de 176 horas, possibilitou a obtenção de cerca de 500 mmol/L de produtos (ácido lactobiônico e sorbitol) por ciclo, com valores médios de rendimento e de produtividade específica de 80% e 1,12 mmol/g/h. A possibilidade de supressão da permeabilização celular com brometo de cetil trimetil amônio (condição CTAB) foi demonstrada, uma vez que se constatou que a reticulação de células de Z. mobilis com glutaraldeído (condição Glu), além de inibir o metabolismo fermentativo de carboidratos como glicose ou frutose, permitiu o acúmulo dos produtos de bioconversão, sem afetar a atividade catalítica das enzimas. A atividade enzimática para a condição Glu (35 U/g de células) foi semelhante à da condição de referência CTAB (31 U/g). Adicionalmente, com o sistema imobilizado, constatou-se que o tratamento das células com glutaraldeído, normalmente feito antes da imobilização (condição Glu Imb), também pode ser suprimido, uma vez que o tratamento único das esferas do suporte (condição Branco Imb) com o agente de reticulação é suficiente para inativar o metabolismo de Z. mobilis. Os rendimentos em ácido lactobiônico e sorbitol, independentemente da condição (Glu Imb ou Branco Imb), foram da ordem de 80%, com concentrações de produto de cerca de 500 mmol/L. A estabilidade das enzimas nas reações de bioconversão manteve-se próxima à inicial após 150 dias de armazenagem. Reações de bioconversão foram conduzidas em regime descontínuo, em reator de agitação mecânica, com 20 e 30 g/L do biocatalisador imobilizado, resultando em 530 mmol/L de produtos em 24 horas. O processo foi testado, ainda, em regime descontínuo alimentado a fim de possibilitar o uso de maior massa de lactose, que não poderia ser empregada em descontínuo devido à baixa solubilidade deste carboidrato em água. Com 20 g/L de biomassa imobilizada, concentrações de produtos de 745 mmol/L foram obtidas em 42 horas, enquanto com 30 g/L foram necessárias 32 horas para atingir-se 776 mmol/L. Os resultados para as reações conduzidas em biorreator tubular com agitação pneumática, com 20 g/L de células, em regimes descontínuo e descontínuo alimentado foram muito próximos aos encontrados no sistema com agitação mecânica, demonstrando a flexibilidade do processo sob esse aspecto. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, CAPES. / Lactobionic acid and sorbitol have important applications in cosmetic and pharmaceutical industries. These products can be obtained in equimolar basis in reactions catalysed by glucose-fructose oxidoreductase (GFOR) and glucono-δ-lactonase (GL), enzymes that are present in the periplasm of Zymomonas mobilis. The reactions are usually conducted with immobilized bacterial cells, the preparation technique of this biocatalyst being time demanding and expensive. Some alternatives for the simplification of the preparation of calcium alginate-immobilized biocatalyst and its application in different operation modes and types of bioreactors were studied in this work, with the aim of increasing the potential of this technology to be transferred to the industrial sector. Modifications in the technique of Z. mobilis immobilization were evaluated regarding the concentrations of sodium alginate and CaCl2 solution and the time of gelification, as an attempt to improve the mechanical properties of the gel and to allow its use in repeated reactions. In this case, no significant changes in both the support resistance and the reaction evaluation parameters were observed for any condition assessed. As such, the technique remained as previously defined: sodium alginate, 2% (w/v); CaCl2, 0.3 mol/L; gelification time, from 10 to 240 minutes. The reuse of the immobilized biocatalyst for seven consecutive batches, totalling 176 hours of reaction, allowed the attainment of products (lactobionic acid and sorbitol) concentrations of about 500 mmol/L, with approximately 80% of yield and 1.12 mmol/g/h of specific productivity. The possibility of suppression of the cell permeabilization with cetyl trimethyl ammonium bromide (CTAB condition) was demonstrated, since the crosslink of Z. mobilis with glutaraldehyde (Glu condition), besides inhibiting the fermentative metabolism of carbohydrates such as glucose or fructose, allowed the bioconversion products accumulation, without affecting the catalytic activity of the enzymes. The activity of GFOR/GL for the Glu condition (35 U/g of cell) was similar to the reference condition CTAB (31 U/g). Additionally, for the immobilized process, it was found that the cell treatment with glutaraldehyde, that is usually done before immobilization (Glu Imb condition), can also be suppressed because the sole treatment of the support beads with the crosslink agent (White Imb Condition) is enough to inactivate Z. mobilis metabolism. The yields in lactobionic acid and sorbitol, independently of the condition (Glu Imb or White Imb), were about 80%, with products concentrations nearly to 500 mmol/L. The enzymes stability remained stable after 150 days of storage. Bioconversion reactions were carried out in batch mode in a mechanically stirred reactor, with 20 and 30 g/L of the immobilized biocatalyst, resulting in 530 mmol/L of products after 24 h. The process was also tested in fed-batch mode with the purpose of allowing the use of a larger mass of lactose, which could not be employed in batch because of the relatively low solubility of this carbohydrate in water. With 20 g/L of immobilized biomass, product concentrations of 745 mmol/L were obtained in 42 h, whereas with 30 g/L 32 h were needed to reach 776 mmol/L. The results for the reactions conducted in pneumatic-agitated tubular bioreactor with 20 g/L of cells, in batch and fed-batch modes, were very close to those found in the system with mechanical agitation, evidencing the flexibility of the process under this aspect

Biorreatores, que são explorados desde a antiguidade, são sistemas capazes de realizar a fermentação de compostos orgânicos, continuam sendo amplamente utilizados atualmente devido à diversidade de aplicações. Esses sistemas podem operar em diferentes modos de fermentação, entretanto, os mais utilizados são: fermentação contínua, semicontínua e descontínua. Esse último, juntamente com o processo de digestão anaeróbia (ausência de oxigênio), permitem que uma determinada matéria orgânica seja degradada e transformada em biogás, um dos fatores chave para geração de energia limpa. Percebe-se, portanto, que o estudo de biorreatores em modo de operação descontínuo e em processo de digestão anaeróbia é fundamental para o desenvolvimento de pesquisas relacionadas à geração de energia renovável. Para facilitar o entendimento desse processo, alguns autores propuseram estudos baseados na identificação de parâmetros em modelos não-lineares descritivos, do tipo caixa-branca, que hoje são vastamente utilizados na modelagem de biorreatores. A grande limitação dessa abordagem é que o processo de identificação de sistemas utilizando esses modelos pode ser complexo e demorado, ou, ainda, os parâmetros dos sistemas representados podem não ser identificáveis, inviabilizando o procedimento. Tentando amenizar essas dificuldades, propomos neste trabalho a utilização de modelos polinomiais NAR e NARMA do tipo caixa-preta para a modelagem de biorreatores em modo de fermentação descontínua. Modelos caixa-preta representam sistemas reais por meio de sua saída, sem informação sobre os mecanismos internos desse sistema, simplificando a identificação. Frente a esse contexto, o objetivo deste estudo é investigar a predição e, por consequência, realizar o monitoramento da produção de metano utilizando os modelos caixa-preta propostos em sistemas de biorreatores em modo descontínuo e em processo de digestão anaeróbia. Realizamos estudos que abarcam a investigação de dados simulados e de dados reais. Num primeiro momento são propostos modelos polinomiais dos tipos NAR e NARMA. A partir desses modelos são estimados os parâmetros dos sistemas simulados, com e sem ruído na saída, baseados em condições iniciais propostas na literatura, que denominamos Grupo de Controle. Posteriormente realizamos as validações desses modelos. Em seguida, passamos à etapa de investigação do domínio de validade dos modelos caixa-preta propostos, realizando um estudo em que modificamos as condições iniciais do sistema que representa biorreatores em modo de fermentação descontínua. Por fim, utilizamos dados de um experimento real para realizar o processo de estimação de parâmetros e de validação dos modelos. Os resultados mostraram que os modelos polinomiais NAR e NARMA são bastante adequados para predição de metano em biorreatores em modo de fermentação descontínua em processo de digestão anaeróbia, tanto para os dados simulados quanto para os dados reais. / Bioreactors, which are explored since antiquity, are systems that are capable of performing the fermentation of organic compounds. Nowadays, they are widely applied due to its diversity of applications. These systems can operate in different fermentation modes: continuous, fed-batch and batch. This last fermentation method along with the process of anaerobic digestion allow organic matter to be degraded and converted into biogas, which is a key factor for clean energy generation. It is thus realized that the study of bioreactors in batch mode and anaerobic digestion process is crucial to the development of research related to renewable energy generation. For a better understanding of the process, some authors have proposed studies based on parameters identification in descriptive nonlinear models, white-box models, which are widely used in bioreactors modeling. The main limitation of this approach is that the system identification procedure using these models can be complex and time-consuming, or even the parameters of the systems may not be identifiable. In order to overcome these difficulties, we propose in this work the use of black-box polynomial models for bioreactor modeling in batch mode, with NAR and NARMA model structures. Black-box models represent real systems using its output, without explicitly considering the inner mechanisms of the system, simplifying the identification procedure. Thus, the aim of this work is to investigate the prediction and monitoring methane production using the black-box models proposed using bioreactor systems in batch and anaerobic digestion process. The investigation uses numerical simulation and experimental data. At first, polynomial models of the types NAR and NARMA are proposed. The parameters from these models using simulation data with and without noise at the output, based on initial conditions proposed in the literature, are estimated. Subsequently we perform validations of these models. The next step is the study of the validity domain of the proposed black-box models, which is performed by testing many different initial conditions of the system that represents bioreactors in batch fermentation mode. Finally, we used real experimental data to perform the estimation of the parameters from the process and validation of models. The results, both simulated and experimental, indicate that the polynomial models NAR and NARMA are appropriate for prediction of methane fermentation in batch bioreactors.

Orientador: Rodrigo Sequinel / Coorientador: Danilo Luiz Flumignan / Banca: Paulo Clairmont Feitosa de Lima Gomes / Banca: Alvaro José dos Santos Neto / Resumo: Biorreatores têm sido estudados para obtenção de H2, um produto de alto valor agregado usado na indústria química e afim e na produção de energia. Neste trabalho foi desenvolvido um método para análise de compostos orgânicos voláteis (VOCs) produzidos em biorreatores para auxiliar na pesquisa e no controle operacional da produção de H2. Com base nos compostos de interesse foi otimizado um procedimento de microextração líquido-líquido (LLME) para recuperação destes do meio aquoso. Para isto foi usado 400 µL de 1-octanol, um solvente lipofílico e biodegradável, sulfato de sódio e 1,2 mL de amostra. Em seguida foi desenvolvido um método de separação e detecção por cromatografia em fase gasosa acoplada a um detector de ionização em chama (GC-FID). A separação foi feita usando coluna de polietilenoglicol de 30 m de comprimento e hélio como gás de arraste. O tempo de análise total foi de 16 min. Através deste método foi possível extrair, separar e quantificar 12 compostos: acetona, metanol, etanol, 1-propanol, 1-butanol, ácido acético, ácido propiônico, ácido butírico, ácido isovalérico, ácido valérico, ácido capróico e ácido láctico. Todas as curvas analíticas foram validadas usando a análise de variância (ANOVA). Além disso, foram calculadas algumas figuras de mérito, como o limite de detecção, o intervalo de quantificação, a exatidão e a precisão. Foram realizados testes de efeito matriz e estabilidade da amostra. Algumas amostras provenientes dos biorreatores de produção de H2 ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Bioreactors have been studied to obtain H2, a high value-added product used in the chemical and allied industry and in energy production. In this work a method was developed for the analysis of volatile organic compounds (VOCs) produced in bioreactors to assist in the research and operational control of H2 production. Based on the compounds of interest, a liquid-liquid micro extraction procedure (LLME) was optimized for recovery of these from the aqueous medium. 400 μl of 1-octanol, a lipophilic and biodegradable solvent, sodium sulfate and 1.2 mL of sample were used for this. Next, a separation and detection method was developed by gas chromatography coupled to a flame ionization detector (GC-FID). The separation was done using 30 m polyethylene glycol column and helium as carrier gas. The total analysis time was 16 min. This method was used to extract, separate and quantify 12 compounds: acetone, methanol, ethanol, 1-propanol, 1-butanol, acetic acid, propionic acid, butyric acid, isovaleric acid, valeric acid, caproic acid and lactic acid. All analytical curves were validated using analysis of variance (ANOVA). In addition, some figures of merit were calculated, such as limit of detection, interval of quantification, accuracy and precision. The matrix effect and stability of the samples were also performed. Some samples from the H2 production bioreactors were analyzed using the proposed method. The method developed proved accurate, precise and has a wide range of applicatio... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Orientador: Jorge Fernando Brandão Pereira / Coorientador: Valéria de Carvalho dos Santos Ebinuma / Banca: João Vitor Dutra Molino / Banca: Marcel Otavio Cerri / Resumo: A proteína verde fluorescente (GFP, do inglês Green Fluorescent Protein) é um biomarcador utilizado na produção de proteínas de fusão, amplamente empregado in vivo e in vitro. Este trabalho avaliou a produção da GFP expressa em Escherichia coli BL21 (DE3) [pLysS; pET28(a)] em mesa incubadora rotativa e biorreator, e sua posterior extração utilizando Sistemas Micelares de Duas Fases Aquosas (SMDFA). Na etapa de produção em mesa incubadora rotativa, estudou-se a influência da taxa de agitação, tempo de indução e concentração do composto indutor, isopropil-β-1-D-tiogalactopiranosídeo (IPTG), sobre a produção da GFP, e apenas a variação da taxa de agitação e o tempo de indução alteraram a produção de GFP. A melhor produção de GFP (314,59 mg/L) foi obtida a 30°C após 22 h de cultivo a uma agitação de 150 rpm, induzindo com 0,5 mM de IPTG realizada 10 h após o início do cultivo (meio da fase exponencial de crescimento). Posteriormente, avaliou-se menores concentrações de IPTG (0,25; 0,125 mM) na produção de GFP e observou-se que os níveis de produção foram mantidos. Estes estudos iniciais, foram a base para as condições empregadas em biorreator tanque agitado, que operou no modo batelada a uma agitação de 200 rpm, aeração de 2 vvm (volume de ar/ volume de meio) e indução com 0,125 mM de IPTG após 6 h de cultivo. Nas condições citadas, obteve-se apenas uma produção de 128,13 mg/L de GFP, desse modo, apesar da potencialidade da ampliação de escala na produção desta biomolécula, estud... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Green Fluorescent Protein (GFP) is a in vivo and in vitro biomarker widely used in the production of fusion proteins. This work evaluated the production of GFP expressed in Escherichia coli BL21 (DE3) [pLysS; pET28 (a)] in shaker and bioreactor, and its subsequent extraction using Aqueous Micellar Two-Phase Systems (AMTPS). The influence of the agitation rate, induction time and concentration of the inductor, isopropyl-β-1-D-thiogalactopyranoside (IPTG), on GFP production, was studied using a shaker. The results shown that only the agitation rate and the induction time have affect the GFP production. The best GFP production (314.59 mg/L) was obtained at 30°C after 22 h of culture at 150 rpm, induced with 0.5 mM IPTG after 10 h after of the start of cultivation (at half of exponential growth). Subsequently, lower IPTG concentrations (0.25, 0.125 mM) were evaluated for the GFP production, being maintained the production levels. From these conditions, a cultivation using agitated tank bioreactor was then carried out. The bioreactor operated in batch mode at 200 rpm with a 2 vvm aeration (air volume / volume of medium), being the GFP production induced with 0.125 mM IPTG after 6 h of microorganism' growth. Under that conditions, a production of 128.13 mg/L of GFP was obtained. Thus, despite the potential of scale-up in the production of this biomolecule, further studies are still required. After the GFP production studies, the bacterial cells were disrupted using continuous freezing / thawing cycles. GFP recovered from the cell lysate was then used to perform stability studies at different pHs (3 - 12) and temperatures (25°, 37° and 50°C). The stability studies shown that GFP was stable between pHs 7 to 11 and at temperatures of 25°C and 37°C, but not stable at a temperature of 50°C. Afterwards, liquid-liquid extraction... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Biorreatores, que são explorados desde a antiguidade, são sistemas capazes de realizar a fermentação de compostos orgânicos, continuam sendo amplamente utilizados atualmente devido à diversidade de aplicações. Esses sistemas podem operar em diferentes modos de fermentação, entretanto, os mais utilizados são: fermentação contínua, semicontínua e descontínua. Esse último, juntamente com o processo de digestão anaeróbia (ausência de oxigênio), permitem que uma determinada matéria orgânica seja degradada e transformada em biogás, um dos fatores chave para geração de energia limpa. Percebe-se, portanto, que o estudo de biorreatores em modo de operação descontínuo e em processo de digestão anaeróbia é fundamental para o desenvolvimento de pesquisas relacionadas à geração de energia renovável. Para facilitar o entendimento desse processo, alguns autores propuseram estudos baseados na identificação de parâmetros em modelos não-lineares descritivos, do tipo caixa-branca, que hoje são vastamente utilizados na modelagem de biorreatores. A grande limitação dessa abordagem é que o processo de identificação de sistemas utilizando esses modelos pode ser complexo e demorado, ou, ainda, os parâmetros dos sistemas representados podem não ser identificáveis, inviabilizando o procedimento. Tentando amenizar essas dificuldades, propomos neste trabalho a utilização de modelos polinomiais NAR e NARMA do tipo caixa-preta para a modelagem de biorreatores em modo de fermentação descontínua. Modelos caixa-preta representam sistemas reais por meio de sua saída, sem informação sobre os mecanismos internos desse sistema, simplificando a identificação. Frente a esse contexto, o objetivo deste estudo é investigar a predição e, por consequência, realizar o monitoramento da produção de metano utilizando os modelos caixa-preta propostos em sistemas de biorreatores em modo descontínuo e em processo de digestão anaeróbia. Realizamos estudos que abarcam a investigação de dados simulados e de dados reais. Num primeiro momento são propostos modelos polinomiais dos tipos NAR e NARMA. A partir desses modelos são estimados os parâmetros dos sistemas simulados, com e sem ruído na saída, baseados em condições iniciais propostas na literatura, que denominamos Grupo de Controle. Posteriormente realizamos as validações desses modelos. Em seguida, passamos à etapa de investigação do domínio de validade dos modelos caixa-preta propostos, realizando um estudo em que modificamos as condições iniciais do sistema que representa biorreatores em modo de fermentação descontínua. Por fim, utilizamos dados de um experimento real para realizar o processo de estimação de parâmetros e de validação dos modelos. Os resultados mostraram que os modelos polinomiais NAR e NARMA são bastante adequados para predição de metano em biorreatores em modo de fermentação descontínua em processo de digestão anaeróbia, tanto para os dados simulados quanto para os dados reais. / Bioreactors, which are explored since antiquity, are systems that are capable of performing the fermentation of organic compounds. Nowadays, they are widely applied due to its diversity of applications. These systems can operate in different fermentation modes: continuous, fed-batch and batch. This last fermentation method along with the process of anaerobic digestion allow organic matter to be degraded and converted into biogas, which is a key factor for clean energy generation. It is thus realized that the study of bioreactors in batch mode and anaerobic digestion process is crucial to the development of research related to renewable energy generation. For a better understanding of the process, some authors have proposed studies based on parameters identification in descriptive nonlinear models, white-box models, which are widely used in bioreactors modeling. The main limitation of this approach is that the system identification procedure using these models can be complex and time-consuming, or even the parameters of the systems may not be identifiable. In order to overcome these difficulties, we propose in this work the use of black-box polynomial models for bioreactor modeling in batch mode, with NAR and NARMA model structures. Black-box models represent real systems using its output, without explicitly considering the inner mechanisms of the system, simplifying the identification procedure. Thus, the aim of this work is to investigate the prediction and monitoring methane production using the black-box models proposed using bioreactor systems in batch and anaerobic digestion process. The investigation uses numerical simulation and experimental data. At first, polynomial models of the types NAR and NARMA are proposed. The parameters from these models using simulation data with and without noise at the output, based on initial conditions proposed in the literature, are estimated. Subsequently we perform validations of these models. The next step is the study of the validity domain of the proposed black-box models, which is performed by testing many different initial conditions of the system that represents bioreactors in batch fermentation mode. Finally, we used real experimental data to perform the estimation of the parameters from the process and validation of models. The results, both simulated and experimental, indicate that the polynomial models NAR and NARMA are appropriate for prediction of methane fermentation in batch bioreactors.

A integração da tecnologia de separação por membrana em processos convencionais de lodos ativados representa uma inovação importante na evolução da tecnologia de tratamento biológico de efluentes. Este trabalho tem como objetivo avaliar o desempenho de um biorreator com membranas submersas, provido de um sistema de retrolavagem das membranas, utilizado para o tratamento contínuo de um efluente sintético. As membranas utilizadas foram do tipo fibras ocas e fabricadas do material poli(éter-imida). Foram testadas diferentes condições de aeração e freqüências de retrolavagens. Em todas as condições testadas foi observado o decréscimo contínuo e acentuado do fluxo permeado com o decorrer do tempo, com fluxos permeados finais aproximados de 10 L.m-2.h-1, e o sistema de biorreator com membranas aparenta não responder de forma adequada aos métodos de controle do fouling. Os experimentos mais longos, 80 horas de duração, apresentaram um decréscimo de 50% do fluxo permeado inicial nas melhores condições experimentais testadas, não sendo observado um estado estacionário para o fluxo permeado. Foi verificado que as características do efluente sintético (a base de soro de leite) têm influência na formação do fouling, já que mesmo na ausência de lodo ativado foi observada a redução do fluxo permeado de forma semelhante aos demais experimentos. Entretanto, após a substituição do efluente sintético por outro mais simples (a base de glicose e peptona) continuou sendo observado fouling intenso. Os dados experimentais foram ajustados aos modelos de Hermia e foi constatado que o mecanismo de formação de fouling segue os modelos de bloqueio completo e intermediário para a etapa inicial de permeação e o modelo de formação de camada de torta para a etapa final. Também foi realizado um estudo, em paralelo, sobre a adsorção de EPS nas membranas de poli(éter-imida). Foi verificado que a membrana de poli(éter-imida) sofre grande adsorção de EPS, mostrando elevada redução de permeabilidade. Foi proposto um modelo de redução de permeabilidade devido à adsorção de EPS que se revelou eficiente para a análise dos dados experimentais, mesmo quando utilizado na análise de dados de outros autores. / The integration of the membrane separation technology in conventional processes of activated sludge represents an important innovation in the technology evolution of biological wastewater treatment. This work evaluated the performance of a submerged membrane bioreactor, provided with a membrane backwashing system, used for the continuous treatment of a synthetic wastewater. The hollow fiber membranes were manufactured by polyetherimide material. Different aeration and backwashing cycles conditions were tested. The membrane bioreactor system seems not to answer satisfactorily to the strategies to limiting fouling. The continued and accented decrease of the permeate flux over time were observed for all the conditions tested, with final permeate fluxes approached of 10 L.m-2.h-1. The longer experiments, 80 hours of duration, presented a decrease of 50% of the initial permeate flux in the best tested experimental conditions, not being observed a steady-state permeate flux. It was verified that the synthetic effluent (whey based) has some influence in the fouling formation, since even in the absence of activated sludge it was observed a permeate flux reduction similar to that observed on the others experiments. However, intense fouling still was observed after changing the synthetic effluent for another more simple (glucose and peptone based). The experimental data were adjusted to the Hermia model. Fouling mechanism follows the complete and intermediate blocking models at the beginning of the permeation stage and the cake formation model for the later stage. A parallel study of the EPS adsorption in polyetherimide membranes was also carried out. Polyetherimide membrane presented great EPS adsorption with high permeability reduction. An EPS adsorption model was proposed and it showed efficient for experimental data analysis, even when other authors data were analyzed.

Biorreatores, que são explorados desde a antiguidade, são sistemas capazes de realizar a fermentação de compostos orgânicos, continuam sendo amplamente utilizados atualmente devido à diversidade de aplicações. Esses sistemas podem operar em diferentes modos de fermentação, entretanto, os mais utilizados são: fermentação contínua, semicontínua e descontínua. Esse último, juntamente com o processo de digestão anaeróbia (ausência de oxigênio), permitem que uma determinada matéria orgânica seja degradada e transformada em biogás, um dos fatores chave para geração de energia limpa. Percebe-se, portanto, que o estudo de biorreatores em modo de operação descontínuo e em processo de digestão anaeróbia é fundamental para o desenvolvimento de pesquisas relacionadas à geração de energia renovável. Para facilitar o entendimento desse processo, alguns autores propuseram estudos baseados na identificação de parâmetros em modelos não-lineares descritivos, do tipo caixa-branca, que hoje são vastamente utilizados na modelagem de biorreatores. A grande limitação dessa abordagem é que o processo de identificação de sistemas utilizando esses modelos pode ser complexo e demorado, ou, ainda, os parâmetros dos sistemas representados podem não ser identificáveis, inviabilizando o procedimento. Tentando amenizar essas dificuldades, propomos neste trabalho a utilização de modelos polinomiais NAR e NARMA do tipo caixa-preta para a modelagem de biorreatores em modo de fermentação descontínua. Modelos caixa-preta representam sistemas reais por meio de sua saída, sem informação sobre os mecanismos internos desse sistema, simplificando a identificação. Frente a esse contexto, o objetivo deste estudo é investigar a predição e, por consequência, realizar o monitoramento da produção de metano utilizando os modelos caixa-preta propostos em sistemas de biorreatores em modo descontínuo e em processo de digestão anaeróbia. Realizamos estudos que abarcam a investigação de dados simulados e de dados reais. Num primeiro momento são propostos modelos polinomiais dos tipos NAR e NARMA. A partir desses modelos são estimados os parâmetros dos sistemas simulados, com e sem ruído na saída, baseados em condições iniciais propostas na literatura, que denominamos Grupo de Controle. Posteriormente realizamos as validações desses modelos. Em seguida, passamos à etapa de investigação do domínio de validade dos modelos caixa-preta propostos, realizando um estudo em que modificamos as condições iniciais do sistema que representa biorreatores em modo de fermentação descontínua. Por fim, utilizamos dados de um experimento real para realizar o processo de estimação de parâmetros e de validação dos modelos. Os resultados mostraram que os modelos polinomiais NAR e NARMA são bastante adequados para predição de metano em biorreatores em modo de fermentação descontínua em processo de digestão anaeróbia, tanto para os dados simulados quanto para os dados reais. / Bioreactors, which are explored since antiquity, are systems that are capable of performing the fermentation of organic compounds. Nowadays, they are widely applied due to its diversity of applications. These systems can operate in different fermentation modes: continuous, fed-batch and batch. This last fermentation method along with the process of anaerobic digestion allow organic matter to be degraded and converted into biogas, which is a key factor for clean energy generation. It is thus realized that the study of bioreactors in batch mode and anaerobic digestion process is crucial to the development of research related to renewable energy generation. For a better understanding of the process, some authors have proposed studies based on parameters identification in descriptive nonlinear models, white-box models, which are widely used in bioreactors modeling. The main limitation of this approach is that the system identification procedure using these models can be complex and time-consuming, or even the parameters of the systems may not be identifiable. In order to overcome these difficulties, we propose in this work the use of black-box polynomial models for bioreactor modeling in batch mode, with NAR and NARMA model structures. Black-box models represent real systems using its output, without explicitly considering the inner mechanisms of the system, simplifying the identification procedure. Thus, the aim of this work is to investigate the prediction and monitoring methane production using the black-box models proposed using bioreactor systems in batch and anaerobic digestion process. The investigation uses numerical simulation and experimental data. At first, polynomial models of the types NAR and NARMA are proposed. The parameters from these models using simulation data with and without noise at the output, based on initial conditions proposed in the literature, are estimated. Subsequently we perform validations of these models. The next step is the study of the validity domain of the proposed black-box models, which is performed by testing many different initial conditions of the system that represents bioreactors in batch fermentation mode. Finally, we used real experimental data to perform the estimation of the parameters from the process and validation of models. The results, both simulated and experimental, indicate that the polynomial models NAR and NARMA are appropriate for prediction of methane fermentation in batch bioreactors.

A vinhaça é o resíduo mais abundante gerado no processo de produção de etanol, sendo que a cada litro de etanol são gerados de 10 a 18 litros de vinhaça. Sua disposição é tema de grande preocupação, por sua elevada carga de matéria orgânica e o pH ácido. Embora seja um resíduo poluente, contém macronutrientes que podem ser usados para o cultivo de micro-organismos úteis aos seres humanos como é o caso apresentado neste trabalho, onde a vinhaça foi utilizada para cultivo da microalga Scenedesmus sp. As microalgas são apontadas como uma alternativa promissora para substituição dos combustíveis fósseis. Entretanto, seu custo ainda é elevado devido a vários fatores, dentre os quais os nutrientes que devem ser fornecidos para crescimento. Assim, o uso de rejeitos como fonte de nutrientes pode auxiliar a reduzir este balanço desfavorável. Este trabalho teve como objetivo avaliar a viabilidade técnica de produção da Scenedesmus sp. para tratar vinhaça de etanol de cana de açúcar. Inicialmente, testou-se a viabilidade de crescimento da microalga nesses meios. Uma vez corroborado que é possível seu crescimento, foram realizados planejamentos experimentais que avaliaram os fatores que influenciam no crescimento. O planejamento fatorial demonstrou que é possível cultivar microalgas em concentrações de até 40% de vinhaça. O planejamento composto central rotacional demonstrou o seguinte: a intensidade luminosa e a porcentagem de vinhaça influenciam na quantidade de biomassa a ser produzida, e a temperatura, entre 20 e 35°C, não tem um efeito significativo quando se trabalha com porcentagens menores que 40% de vinhaça. Foram analisados parâmetros como o DBO, conteúdo de nitrogênio e fósforo, que demonstraram que fotobiorreatores com até 32% geram vinhaça tratada com valores de DBO menores que 106 mg/L, conseguindo remover até 96% de nitrogênio e 99,9% de fósforo. Como dado adicional se avaliou os métodos de espectrofotometria e espectroscopia de fluorescência, que se mostraram métodos adequados para acompanhar o crescimento microalgal em fotobiorreatores. / Vinasse is one of the most polluting wastes generated in the process of ethanol production,with each liter of ethanol are generated between 10 to 18 liters os vinasse. Its suitable disposal is an issue of great concern due to its high load of organic matter and acidity. Although this is a polluting waste, contains nutrients which can be used for cultivation of micro-organisms that may be useful to humans as is the case presented in this work, where vinasse was used for cultivation of the microalgae Scenedesmus sp. Microalgae are currently reported in the literature as a promising alternative to replace fossil fuels. However, its cost is still high due to several factors, such as the nutrients that must be supplied for growth. Thus, the use of waste as a source of nutrients may assist in reducing this unfavorable balance. This study aimed to evaluate the technical feasibility of production of microalgae Scenedesmus sp. to treat ethanol stillage. First, cultivations with different percentages of vinasse were done aiming to verify wether they are able to grow in medium supplemented with vinasse. The factorial design has shown that it is possible to cultivate microalgae at concentrations up to 40% of vinasse in the culture medium. The central composite design showed that light intensity and percentage of vinasse influence the amount of biomass to be produced. Additionally, the temperature between 20 and 35°C has not a significant effect when working with percentages smaller than 40% of vinasse. The analyzed parameters were BOD, nitrogen and phosphorus content demonstrated that photobioreactors with up to 32% vinasse generate vinasse treated with BOD values lower than 106 mg/L achieving a remotion of 96% nitrogen and 99.9% phosphorus. Finally, it was also shown that spectrophotometry and 2D fluorescence spectroscopy are suitable methods for monitoring the microalgae growth.

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