Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4104.pdf: 938417 bytes, checksum: f87f536b54f416c63c1365c7f3974549 (MD5) Previous issue date: 2011-12-22 / Financiadora de Estudos e Projetos / The use of sucrose for the production of industrial inputs with higher added value has a great industrial interest, especially glucose and fructose which present many advantages over sucrose in industrial processes. Gluconic acid and its derived salts can be mentioned as second generation products also having wide industrial applicability. This study aimed to perform a preliminary evaluation of the enzymatic process for simultaneous production of gluconic acid and, consequently, its derived salts and a high-fructose syrup from sucrose inverted using glucose oxidase (GOD) enzyme in a concentric draft tube airlift bioreactor with 2.0 working volume. For this propose, the volumetric oxygen transfer coefficient (kLa), obtained under different aeration conditions using solutions with different inverted sucrose concentrations, was firstly evaluated. The results led to a correlation to estimate kLa during the oxidation of glucose to gluconic acid in an airlift bioreactor as a function of air flow rate and medium viscosity. Experimental trials were carried out in batch at 35 °C and pH 5.5 in order to produce gluconic acid with different initial glucose concentrations (20 and 40 g.L-1) in the presence or absence of fructose, and with two different enzyme concentrations. The consumption of glucose and dissolved oxygen was monitored throughout the trials. The kinetic parameters for the process (Vmax, KS and KO) were obtained by fitting of the kinetic model to the experimental values. The results showed that the presence of fructose did not significantly affect the affinity of GOD for glucose due to the small variation of KS, as well as it did not alter Vmax values for equal concentrations of KO showed that, although the dissolved O2 concentration was small compared to that of glucose in the medium, the oxygen was not the limiting factor of the process. The results, even though preliminary, demonstrate the viability of developing a simultaneous production process for gluconic acid and highfructose syrup from inverted sucrose. / A utilizacao da sacarose para a producao de insumos de maior valor agregado e de grande interesse industrial, destacando-se a glicose e a frutose com inumeras vantagens frente a propria sacarose em processos industriais. Como produtos de segunda geracao, pode-se citar o acido gluconico e seus sais derivados, tendo os mesmos tambem grande aplicabilidade industrial. O presente trabalho teve por objetivo a avaliacao preliminar do processo enzimatico de producao simultanea de acido gluconico e, por consequencia, seus sais derivados e um xarope de frutose, a partir da sacarose invertida utilizando glicose oxidase (GOD) em biorreator airlift de cilindros concentricos com 2,0 L de volume util. Para tal, foi inicialmente avaliada a transferencia de oxigenio a partir de valores do coeficiente volumetrico de transferencia de oxigenio (kLa), obtidos sob diferentes condicoes de aeracao e utilizando solucoes com diferentes concentracoes de sacarose invertida. Os resultados obtidos levaram a uma correlacao para estimar kLa durante o processo de oxidacao da glicose a acido gluconico em biorreator airlift em funcao da vazao de alimentacao de ar e da viscosidade do meio. Na sequencia foram realizados ensaios em batelada a 35oC e pH 5,5 visando a producao de acido gluconico em sistemas com diferentes concentracoes de glicose (20 e 40 g.L-1), na presenca ou nao de frutose, e com duas diferentes concentracoes de enzima. O consumo de glicose e a concentracao de oxigenio dissolvido foram acompanhados ao longo dos ensaios. Parametros cineticos referentes ao processo (Vmax, KS e KO) foram obtidos por ajuste de modelo cinetico aos valores experimentais. Os resultados obtidos mostraram que a presenca da frutose nao influenciou significativamente a afinidade da GOD pela glicose dada a pequena variacao de KS, como tambem nao alterou Vmax em concentracoes iguais de glicose nas condicoes avaliadas. A analise dos valores obtidos de KO mostrou que, apesar de a concentracao de O2 ser pequena em relacao a de glicose no meio, o oxigenio nao foi o fator limitante do processo. Os resultados, ainda que de forma preliminar, evidenciam a viabilidade de desenvolvimento de uma tecnologia de producao para a obtencao simultanea de acido gluconico e xarope de frutose a partir da sacarose invertida.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2378.pdf: 2097970 bytes, checksum: 8d3821784c3492880401bb105fe5be96 (MD5) Previous issue date: 2009-03-12 / Financiadora de Estudos e Projetos / Internal-loop airlift reactors (ALR) are a special class of pneumatic reactors. The use of this type of reactor has been attractive for chemical and biological reactions because of their simple construction without moving parts and low energy costs when compared with stirred tank reactors. In the present work, a study related to hydrodynamic and oxygen transfer in three geometrically similar scales of internal tube airlift bioreactors (2, 5, and 10 L) was conducted. The aim was to obtain useful information for further studies related to the scale-up of such reactor configuration. The gas hold-up, circulation time, mixing time, volumetric oxygen transfer coefficient, average shear rate, and mean bubble diameter of the air bubbles were evaluated in order to achieve a better comprehension of the hydrodynamic and mass transfer in airlift bioreactors. Values of gas hold-up and oxygen transfer were obtained for the three scales of ALR utilizing eight Newtonian and five non-Newtonian fluids. The superficial gas velocity and liquid viscosity had opposite effects with same order of magnitude. General correlations based on the dimensional analysis were proposed to relate global gas hold-up (ε) and volumetric oxygen transfer coefficient (kLa) to the geometrical parameters of the system, physical properties of the Newtonian and Non-Newtonian fluids, and superficial gas velocity. The correlations presented excellent fittings to the experimental data obtained for the three scales of ALR. The influence of the reactor internal diameter on the volumetric oxygen transfer coefficient was considered positive showing that in largerscale reactors an appropriate oxygen transfer can be reached under smaller aeration conditions. New methodologies to estimate the mean bubble size (dB) and average shear rate ( m γ& ) in the three scales of ALR were proposed. The semi-theoretical method to estimate dB was based on Higbie´s penetration theory using experimental data of ε and kLa. The methodology for evaluating the m γ& in ALRs was developed for non-Newtonian systems. The volumetric oxygen transfer coefficient was chosen as the appropriate characteristic parameter. The results of dB and m γ& obtained by the proposed methods are in agreement with the experimental values found in the literature. The effect of shear rate on clavulanic acid (CA) production by Streptomyces clavuligerus was examined both in a stirred tank bioreactor (STR) of 4 L and in an ALR of 6 L working volume, respectively, based on experimental data of the literature. Results showed that CA production was positively affected by shear conditions. In addition, the ALR presented values of m γ& higher than those found in a STR operated under the same oxygen transfer conditions. / Os biorreatores pneumáticos têm mostrado um grande potencial para os processos biotecnológicos, pois não utilizam partes móveis em sua construção e operação e há um menor consumo de energia quando comparado com os biorreatores convencionais tipo tanque agitado. No presente trabalho foi realizado um estudo hidrodinâmico e de transferência de oxigênio em três escalas biorreatores airlift de tubos concêntricos geometricamente semelhantes (2, 5 e 10 L) com objetivo de obter informações úteis para aplicação na variação de escala deste modelo de biorreator. Foram avaliados parâmetros importantes como retenção gasosa, tempo de mistura, tempo de circulação, coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio, velocidade de cisalhamento e diâmetro médio de bolhas para o melhor entendimento de aspectos relacionados à hidrodinâmica e à transferência de massa. A retenção gasosa e a transferência de oxigênio foram estimadas nos três biorreatores airlift utilizando oito tipos de fluidos Newtonianos e cinco fluidos não-Newtonianos. A velocidade superficial de gás e a viscosidade do líquido tiveram efeitos contrários e com mesma ordem de magnitude no coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio. Foram obtidas correlações baseadas em análise dimensional para expressar a retenção gasosa (ε) e o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) em função dos parâmetros geométricos dos sistemas, propriedades físicas dos fluidos e da velocidade superficial de alimentação de ar. Tais correlações apresentaram excelentes ajustes aos dados experimentais obtidos nas três escalas de biorreatores. A influência do diâmetro interno do reator no kLa foi considerada positiva, mostrando que em escalas de reatores maiores, a transferência de oxigênio pode ser alcançada sob menores condições de aeração. Metodologias para estimativas do diâmetro médio das bolhas (dB) e da velocidade média de cisalhamento ( m γ& ) em biorreatores airlift de tubos concêntricos foram propostas. A metodologia para estimativa de dB foi desenvolvida com base na teoria de penetração de Higbie utilizando resultados experimentais de ε e de kLa. A metodologia de estimativa m γ& , desenvolvida para fluidos não- Newtonianos, utilizou o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) como parâmetro característico. Resultados estimados de dB e de m γ& apresentaram boa concordância com resultados experimentais de literatura. Foi também avaliada e comparada a influência das condições cisalhamento previstas pela metodologia proposta na produção de ácido clavulânico (AC) por Streptomyces clavuligerus em cultivos realizados em biorreatores airlift de 6 L e convencional tipo tanque agitado e aerado de 4 L. Os resultados mostraram que a produção de AC foi afetada positivamente pelo cisalhamento, bem como a velocidade média de cisalhamento ( m γ& ) foi superior em biorreator airlift em relação ao convencional sob mesmas condições de transferência de oxigênio.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3733.pdf: 1383162 bytes, checksum: e1c286f4bef0637b79f5464cfaacaf2e (MD5) Previous issue date: 2011-07-29 / Universidade Federal de Sao Carlos / In Brazil, sugarcane bagasse stands out as an abundant and available source of lignocellulosic material in sugar mills. It has structural features that make it a possible inducer for cellulase production by microorganisms. Since sugarcane bagasse is a promising material both as an inducer of cellulases and as a feedstock for second generation ethanol, the development of innovative fermentation processes for the production of cellulases in industrial scale is necessary in order increase the viability of the enzymatic hydrolysis of this material. In this way, the purpose of this study was the development of an unconventional process for cellulase production using an Aspergillus niger strain. The process has the purpose of sugarcane bagasse utilisation as substrate for the production of an inoculum with first step of preparation in solid-state fermentation (SSF), besides its use as an inducer for the synthesis of cellulases by submerged fermentation (SF) in the presence of solids, operating in triphasic systems. With this aim, the effect of carbon source used, glucose (10 g.L-1 and 20 g.L-1) and lactose (10 g.L-1) and the type of inoculum preparation (conventional or inoculum first step in SSF) were evaluated in shaken flasks cultures. The best production of endoglucanase (CMCase) obtained in shaken flasks was 1052 ± 34 IU L-1, after 72 h in cultures and prepared with the inoculum with solid state fermentation as first step with solid medium supplemented with 10 g.L-1 of glucose. These results were validated in a pneumatic bioreactor of 5.0 L at different pH values (5.0 and 6.0). The best results obtained in terms of volumetric productivity were 57±13 U.L-1.h-1 of endoglucanase, 327±17 UL-1.h-1 of xylanase and 10±1 UL-1.h-1 of filter paper activity (Fpase) in cultures with pH 5.0 and unconventional inoculum. It can be stated that the production of cellulases in the presence of sugarcane bagasse with large particle size (1 to 2 mm) is a viable and promissing alternative. The unconventional inoculum proposed as the object of study, with first step in SSF, was superior to conventional inoculum, since when applied to fermentation systems resulted in 3-fold superior enzymatic productivity of CMCase. It can be stated either that studies with pH values that favor cellulases syntesis instead of proteases can increase significantly the volumetric productivity. / No Brasil, o bagaço de cana-de-açúcar se destaca como sendo uma fonte de material lignocelulósico abundante e disponível nas usinas sucroalcooleiras, além de possuir características estruturais que o classificam como bom indutor para produção de celulases por microrganismos. Sendo o bagaço de cana um material promissor tanto como indutor das celulases quanto como substrato na cadeia de produção do etanol de 2a geração, o desenvolvimento de processos de fermentação inovadores para a produção de celulases em escala industrial é necessário a fim de viabilizar a hidrólise enzimática deste material. Para esta finalidade, a proposta deste trabalho foi o desenvolvimento de um processo não-convencional para produção de celulases utilizando uma cepa de Aspergillus niger. O processo consistiu na proposta de utilização do bagaço de cana como substrato para a produção de um inóculo com etapa inicial em fermentação no estado sólido (FES), além de sua utilização como indutor para a síntese de celulases por fermentação submersa (FS) na presença de sólidos, operando-se sistemas trifásicos. Para tal, avaliou-se em cultivos em frascos agitados o efeito da fonte de carbono utilizada, glicose (10 g.L-1 e 20 g.L-1) e lactose (10 g.L-1), e o tipo de preparo de inóculo (convencional ou inóculo com etapa inicial em FES). A maior produção de endoglucanase (CMCase) obtida em frascos agitados foi de 1052±34 U.L-1, obtida após 72 h nos cultivos preparados com o inóculo com fase inicial no estado sólido e em meios suplementados com 10 g.L-1 de glicose. Tais resultados foram validados em biorreator pneumático de 5,0 L, em diferentes valores de pH (5,0 e 6,0). Os melhores resultados de produtividades obtidos foram de 57±13 U.L-1.h-1 de endoglucanase, 327±17 U.L-1.h-1 de xilanase e 10±1 U.L-1.h-1 de celulases totais (FPase) em cultivos com pH 5,0 e inóculo nãoconvencional. Pode-se afirmar que a produção de celulases na presença de bagaço de cana de alta granulometria (1 a 2 mm) em biorreator pneumático do tipo coluna de bolhas é uma alternativa viável e promissora e que o inóculo não-convencional proposto como objeto de estudo, com etapa inicial em FES, foi superior ao inóculo convencional, uma vez que quando aplicado em sistemas fermentativos resultou na obtenção de produtividade enzimática de endoglucanase cerca de 3 vezes superior. Pode-se afirmar ainda que valores de pH que favoreçam a síntese de celulases em vez de proteases podem resultar em ganhos significativos de produtividade volumétrica.

Submitted by Alison Vanceto (alison-vanceto@hotmail.com) on 2016-10-10T12:43:24Z No. of bitstreams: 1 TeseGYR.pdf: 8156092 bytes, checksum: 727d9cd338ae7ed90fe24238b42228bd (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2016-10-11T20:34:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseGYR.pdf: 8156092 bytes, checksum: 727d9cd338ae7ed90fe24238b42228bd (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2016-10-11T20:35:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseGYR.pdf: 8156092 bytes, checksum: 727d9cd338ae7ed90fe24238b42228bd (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-11T20:42:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseGYR.pdf: 8156092 bytes, checksum: 727d9cd338ae7ed90fe24238b42228bd (MD5) Previous issue date: 2015-03-25 / Outra / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Pneumatic bioreactors are devices free of moving parts which have the purpose of converting raw materials in bio-products of commercial interest by the action of enzymes or cells. They are promising in the biochemical industry, ensuring good oxygen transfer and consuming less energy. Global performance parameters such as global gas hold up and the volumetric oxygen transfer coefficient are important criteria in the design and selection among different geometries of the mentioned devices. In the present work it was carried out modeling and simulation of pneumatic bioreactors based on Computational Fluid Dynamics (CFD) in order to estimate the global gas hold up and the volumetric oxygen transfer coefficient in three different geometries of pneumatic bioreactors: bubble column, concentric tube airlift and split tube airlift. The simulated results of each performance parameter were verified by comparison with the experimental values reported by Thomasi et al. (2010) and Mendes and Badino (2015) for the fluids distilled water, glycerol solution 10 cP and xanthan gum solution 0.2% w/v (weight/volume) in a wide range of specific air flow rate (0 to 5 min- 1). Application suite ANSYS® 14.5 was used for numerical simulations in CFD. Important parameters such as the bubble diameter played a great influence on results of the volumetric oxygen transfer coefficient. It can be observed by the experimental and simulated results that the concentric tube airlift bioreactor was the best alternative to the global gas hold up and the volumetric oxygen transfer coefficient (reaching 14% and 0.06 s-1 for distilled water, respectively). It was found that the results obtained via the CFD agreed with the majority trend of experimental data, capturing the most important hydrodynamic phenomena and mass transfer characteristics, showing that the modeling of different systems with different fluids fulfilled the main objective of obtaining reliable models design and performance of other geometries of pneumatic bioreactors. / Os biorreatores pneumáticos são equipamentos industriais isentos de partes móveis que têm a finalidade de converter matérias-primas em bioprodutos de interesse comercial pela ação de enzimas ou células. São promissores na indústria bioquímica, pois garantem boa transferência de oxigênio consumindo menos energia. Parâmetros globais de desempenho, como a retenção gasosa global e o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio são critérios importantes no projeto e seleção entre geometrias diferentes dos equipamentos mencionados. No presente trabalho foi realizada a modelagem e a simulação de biorreatores pneumáticos baseada na Fluidodinâmica Computacional (CFD - Computational Fluid Dynamics) de forma a estimar a retenção gasosa global e o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio em três geometrias distintas: coluna de bolhas, airlift de cilindros concêntricos e airlift split. Os resultados simulados de cada parâmetro de desempenho foram verificados comparando-se com os valores experimentais reportados nos trabalhos de Thomasi et al. (2010) e Mendes e Badino (2015) para os fluidos água destilada, solução de glicerol 10 cP e solução de goma xantana 0,2% m/v (massa/volume) e vazão de alimentação específica de ar numa ampla faixa (0 a 5 min-1). Foi empregada a suíte de aplicativos ANSYS® 14.5 para as simulações numéricas em CFD. Parâmetros importantes, como o diâmetro de bolha, exerceram grande influência nos resultados referentes ao coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio. Destaca-se, pelos resultados experimentais e simulados, que o biorreator pneumático do tipo airlift de cilindros concêntricos apresentou-se como a melhor alternativa para a retenção gasosa global e para o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (atingindo 14% e 0,06 s-1 para a água destilada, respectivamente). Verificou-se que os resultados obtidos via CFD concordaram com a tendência majoritária dos dados experimentais, capturando os fenômenos mais relevantes das características hidrodinâmicas e da transferência de massa, mostrando que a modelagem dos diferentes sistemas com diferentes fluidos atendeu ao principal objetivo de obter modelos confiáveis para o projeto e comparação de desempenho de outras geometrias de biorreatores pneumáticos. / CNPq: 478472/2011-0 / CNPq: 140466/2011-8