A crescente preocupação com a sustentabilidade e com o consumo de produtos naturais, ecologicamente corretos e biodegradáveis, coloca em evidência a importância do desenvolvimento de processos que utilizem matérias-primas renováveis para a obtenção de produtos de interesse à indústria. Nos últimos anos, tem-se buscado viabilizar as biorrefinarias lignocelulósicas para a obtenção de produtos a partir de biomassa vegetal, principalmente de subprodutos agrícolas e agroindustriais. Neste contexto, os biossurfactantes, os quais são metabólitos microbianos com propriedades tensoativas, emulsificantes e antimicrobianas, são bioprodutos alvos de pesquisa por apresentarem aplicações diversas nas indústrias petrolífera, química, alimentícia, farmacêutica e cosmética. Diferentes estratégias de redução do custo da produção microbiológica de compostos surfactantes vêm sendo desenvolvidas, a fim de tornar o processo mais viável do ponto de vista econômico e industrial e entre elas estão o desenvolvimento de bioprocessos mais eficientes, incluindo a otimização das condições do processo fermentativo e a utilização de substratos mais baratos, entretanto, poucos abordam a utilização de leveduras e do bagaço de cana-de-açúcar como matéria-prima renovável disponível no Brasil. Dentro deste contexto, esta pesquisa tem como principal objetivo estudar a influência da agitação e da aeração na produção de biossurfactante a partir de meio formulado com hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar e suplementado com nutrientes, pela levedura Cutaneotrichosporon mucoides em biorreator de bancada. Para tanto, foi utilizado planejamento fatorial completo 22 com triplicata no ponto central e o índice de emulsificação (I.E.) e a tensão superficial (T.S.) do meio foram analisados após 96 h de fermentação. Os melhores resultados (I.E. = 69.4 % e T.S. = 57.8 mN.m-1) foram obtidos quando se empregou a maior agitação (250 rpm) e a menor aeração (0,5 vvm). O alto valor de I.E. evidencia o pontencial emulsificante do biossurfactante produzido, principalmente na indústria petroquímica. Entretanto, ainda se faz necessário otimizar os parâmetros agitação e aeração e reduzir a formação de espuma durante a fermentação, a fim de viabilizar este bioprocesso. / The growing concern with sustainability and the consumption of natural, ecologically correct and biodegradable products highlights the importance of developing processes that use renewable raw materials to obtain products that can be applied in industry. In the last years, it has been tried to make viable the lignocellulosic biorrefinaries concept in order to obtain products from vegetal biomass, mainly from agricultural and agroindustrial by-products. In this context, the biosurfactants, which are microbial metabolites with tensoactive, emulsifying and antimicrobial properties, are bioproducts studied because they can be applied in the petroleum, chemical, food, pharmaceutical and cosmetic industries. Different strategies to reduce the cost of microbiological production of surfactant compounds have been developed in order to make the process viable from an economic and industrial point of view and among them are the development of more efficient bioprocesses, including the optimization of fermentation process conditions and the use of cheaper substrates, however, few works were done using yeasts and sugarcane bagasse as a renewable raw material available in Brazil. In this context, the main objective of this research is to study the influence of agitation and aeration in the production of biosurfactant using hemicellulosic hydrolyzate of sugarcane bagasse supplemented with nutrients and the yeast Cutaneotrichosporon mucoides in stirred tank bioreactor. For this purpose, a 22 full factorial design was used and the emulsification index (E.I.) and the surface tension (S.T.) of the medium were analyzed after 96 h of fermentation. The best results (E.I. = 69.4% and S.T. = 57.8 mN.m-1) were obtained when using the highest agitation (250 rpm) and the lowest aeration (0.5 vvm). High results of E.I. showed the emulsifying potential of the biosurfactant produced, mainly in petrochemical industry. However, it is still necessary optimizing agitation and aeration parameters and decrease foaming formation during the fermentation in order to favor the viability of this bioprocess.

A produção comercial dos surfactantes ocorre principalmente por síntese química a partir do petróleo. A via biotecnológica se apresenta como uma alternativa promissora por possibilitar a utilização de biomassas vegetais, ricas em carboidratos a exemplo da palha de cana-de-açúcar. Assim, esta biomolécula torna-se mais competitiva comercialmente em relação aos surfactantes químicos, obtendo um processo biossustentável e biodegradável. Microrganismos isolados da Antártica apresentam potencial para a produção destas biomoléculas, uma vez que em condições extremas de sobrevivência estas poderiam ser produzidas em concentrações elevadas. Assim, este estudo avaliou a produção de biossurfactante em hidrolisado hemicelulósico de palha de cana-de-açúcar (HHPC) a partir de leveduras da Antártica, além da caracterização parcial da biomolécula e testes de estabilidade da emulsão. Inicialmente foram avaliadas 24 leveduras, cultivadas em frascos Erlenmeyer de 50 mL em meio semi-definido contendo xilose ou glicose como fontes de carbono, a 25ºC, 150 rpm, por até 72 horas. As propriedades emulsificante e tensoativa do bioproduto foram avaliadas e as culturas que apresentaram resultados satisfatórios para ambas as propriedades e consumo de xilose superior ou igual a 80% foram selecionadas para cultivo em meio formulado com HHPC. Das 24 leveduras testadas, três foram selecionadas para cultivo em hidrolisado: Cryptococcus laurentii (L62), Cryptococcus adeliensis (L95) e Rhodotorula mucilaginosa (L52). Destas, a levedura Cryptococcus adeliensis (L95) se destacou por apresentar produção de biomoléculas com maior propriedade emulsificante e tensoativa. Para esta levedura o consumo de xilose em meio semi-definido e em HHPC bem como o índice de emulsificação nas diferentes condições foram semelhantes. O biossurfactante produzido por Cryptococcus adeliensis (L95) foi caracterizado como glicolipídeo. Diferentes métodos de extração desta biomolécula foram testados, no entanto, estes não apresentaram diferença significativa. A estabilidade da emulsão obtida do sobrenadante de L95 em HHPC foi determinada em distintas condições físico-químicas, sendo que esta foi estável a pH extremamente baixo (2,00), baixas temperaturas (0oC e 4oC) e elevada concentração salina (10% m/V). Estes resultados são promissores considerando o potencial de aplicação de biossurfactantes em biorremediação bem como insumos nos mais diversos segmentos industriais, os quais necessitam de biomoléculas que resistam às mais diversas condições ambientais. Desta forma nesta pesquisa foi possível inferir que a biomassa de palha de cana pode ser destinada à obtenção de biossurfactantes a partir de leveduras da Antártica, destacando a relevância da pesquisa quanto à inovação biotecnológica. / The commercial production of surfactants occurs mainly by chemical synthesis from petroleum. The biotechnological pathway is considered as a promising alternative because it allows the use of vegetable biomass, rich in carbohydrates such as sugarcane straw. Thus, this biomolecule becomes more commercially competitive with respect to the chemical surfactants, obtaining a biodegradable process. Microorganisms isolated from Antarctica have the potential to produce these biomolecules, since under extreme conditions of survival, these could be produced in higher concentrations. In this way, this study aims to evaluate the biosurfactant production in sugarcane straw hemicellulosic hydrolysate from Antarctic yeasts, in addition to the partial characterization of the biomolecule and stability tests of the emulsion. Initially, 24 yeasts were evaluated, grown in 50 mL Erlenmeyer flasks in semi-defined medium with xylose or glucose as carbono sources, at 25ºC, 150 rpm, up to 72 hours. The emulsifying and surfactante properties of the bioproduct were evaluated, and the cultures that had satisfactory results for both properties and xylose consumption higher or equal to 80% were selected to be cultivated in a medium formulated with sugarcane straw hemicellulosic hydrolysate (SSHH). In the 24 yeasts tested, three were selected to be cultivated in the hydrolysed: Cryptococcus laurentii (L62), Cryptococcus adeliensis (L95) and Rhodotorula mucilaginosa (L52). Among these C. adeliensis (L95) was distinguished by the production of biomolecules with higher emulsifying and tensoactive properties. For this yeast, the xylose consumption in semi-defined medium and in SSHH, as well as the emulsification index under diferente conditions were similar. The biosurfactant produced by C. adeliensis (L95) was characterized as glycolipid. Different methods of extraction of this biomolecule were tested, however, these did not have significant difference. The emulsion stability obtained from the C. adeliensis (L95) supernatant in SSHH was determined under different physicochemical conditions, which was stable at extremely low pH (2,00), low temperatures (0oC and 4oC) and high saline concentration (10% m/v). These results are interesting considering the potential of the biosurfactants application in bioremediation and inputs for several industrial segments, which require biomolecules that resist to the most diverse environmental conditions. In this research, it was concluded that sugarcane straw biomass can be used to obtain biosurfactants from Antarctic yeasts, consequently highlighting the research relevance regarding to the biotechnological innovation.

A contaminação da água e do solo por hidrocarbonetos aromáticos tem aumentado ao longo dos anos, devido ao seu uso nos mais diversos segmentos industriais. Hidrocarbonetos, tais como tolueno, são descritos como extremamente poluentes, tóxicos e potencialmente mutagénicos e carcinogénicos para os seres humanos. Os hidrocarbonetos são compostos lipófilicos difíceis de serem eliminados, contudo, estes aromáticos podem ser removidos de ambientes contaminados por meio de biorremediação utilizando bactérias produtoras de surfactante. Biossurfatantes são surfactantes principalmente produzidos por microrganismos, as quais promovem a quebra das moléculas de hidrocarbonetos, através da formação de micelas, aumentando a sua mobilidade, a biodisponibilidade e sua exposição à bactérias favorecendo a biodegradação do hidrocarboneto. A produção deste tensoativo exige meios de fermentação e oxigênio para o metabolismo microbiano. Por tanto, aeração e agitação são variáveis operacionais importantes para garantir um coeficiente de transferência de massa de oxigénio eficaz (kLa). Para esta finalidade, o kLa foi determinado experimentalmente em diferentes meios de fermentação, especificamente meio salino básico, meio de baixa salinidade, meio Bushnell-Haas e água do mar, por diversas variáveis operacionais. Ensaios foram realizados em agitador rotativo para selecionar, dentre os diferentes tipos de bactérias, nomeadamente Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis e Bacillus megatherium, o melhor produtor de biossurfactante na presença de tolueno, nos meios de fermentação descritos acima, formulados com diferentes salinidades. A presença de tolueno inibiu o crescimento de microrganismo deslocando seu metabolismo para a produção de biossurfactante. Assim, B. subtilis foi capaz de reduzir a tensão superficial (TS) em 29,49 ± 0,55 unidades, produzindo cerca de 3,52 ± 0,06 mg/L de biossurfactante. Ao elevar o processo para um fermentador de bancada, a quantidade de tolueno no meio de baixa salinidade foi reduzido drasticamente após 12 horas de crescimento (de 45 ml para 7,43 ml), quando B. subtilis foi utilizado, reduzindo o TS em 22,6 unidades (com concentração de biossurfactante de 3,02 mg/L). Os resultados obtidos mostraram que o B. subtilis pode ser considerado um microrganismo promissor para ser utilizado na biorremediação de locais contaminados por tolueno / Contamination of water and soil by aromatic hydrocarbons has been increasing along the years, due to its use in various industrial segments. Hydrocarbons, such as toluene, are described as extremely polluting, toxic, potentially carcinogenic and mutagenic to humans. Hydrocarbons are lipophilic compounds difficult to be disposed of; however, the aromatic ones can be removed from contaminated environments via bioremediation using surfactant-producing bacteria. Biosurfactants are surfactants produced mainly by microorganisms, which promote the breaking of hydrocarbons molecules, by means of the formation of micelles, increasing their mobility, bioavailability and exposure to bacteria favoring hydrocarbon biodegradation. This tensoactive production requires oxygen and fermentation media for the microorganism metabolism. Thus, aeration and agitation are important operating variables to ensure an effective oxygen mass transfer coefficient (kLa). To this purpose, such a response was experimentally determined in this study in different fermentation media, specifically basal saline medium, low saline medium, Bushnell-Haas medium and sea water, and correlated with the above operating variables. Rotary shaker essays were performed to select, among different bacteria, namely Bacillus subtilis, Bacillus megatherium and Bacillus licheniformis, the best biosurfactant producer in the presence of toluene, in fermentative broths described above, formulated with different salinities. The presence of toluene inhibited the growth of microorganism shifting the metabolism to the production of biosurfactant. Thus, B. subtilis was able to reduce the surface tension (ST) in 29.49 ± 0.55 units producing up to 3.52 ± 0.06 mg/L of biosurfactant. Scaling up the process to a bench fermentor, the quantity of toluene in the low salinity medium was reduced drastically after 12 h of growth (from 45 mL to 7.43 mL), when B. subtilis was used, reducing the ST in 22.6 units (biosurfactant concentration of 3.02 mg/L). The results obtained showed that B. subtilis can be considered a promising microorganism to be used for the bioremediation of sites contaminated by toluene.

A crescente preocupação com a sustentabilidade e com o consumo de produtos naturais, ecologicamente corretos e biodegradáveis, coloca em evidência a importância do desenvolvimento de processos que utilizem matérias-primas renováveis para a obtenção de produtos de interesse à indústria. Nos últimos anos, tem-se buscado viabilizar as biorrefinarias lignocelulósicas para a obtenção de produtos a partir de biomassa vegetal, principalmente de subprodutos agrícolas e agroindustriais. Neste contexto, os biossurfactantes, os quais são metabólitos microbianos com propriedades tensoativas, emulsificantes e antimicrobianas, são bioprodutos alvos de pesquisa por apresentarem aplicações diversas nas indústrias petrolífera, química, alimentícia, farmacêutica e cosmética. Diferentes estratégias de redução do custo da produção microbiológica de compostos surfactantes vêm sendo desenvolvidas, a fim de tornar o processo mais viável do ponto de vista econômico e industrial e entre elas estão o desenvolvimento de bioprocessos mais eficientes, incluindo a otimização das condições do processo fermentativo e a utilização de substratos mais baratos, entretanto, poucos abordam a utilização de leveduras e do bagaço de cana-de-açúcar como matéria-prima renovável disponível no Brasil. Dentro deste contexto, esta pesquisa tem como principal objetivo estudar a influência da agitação e da aeração na produção de biossurfactante a partir de meio formulado com hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar e suplementado com nutrientes, pela levedura Cutaneotrichosporon mucoides em biorreator de bancada. Para tanto, foi utilizado planejamento fatorial completo 22 com triplicata no ponto central e o índice de emulsificação (I.E.) e a tensão superficial (T.S.) do meio foram analisados após 96 h de fermentação. Os melhores resultados (I.E. = 69.4 % e T.S. = 57.8 mN.m-1) foram obtidos quando se empregou a maior agitação (250 rpm) e a menor aeração (0,5 vvm). O alto valor de I.E. evidencia o pontencial emulsificante do biossurfactante produzido, principalmente na indústria petroquímica. Entretanto, ainda se faz necessário otimizar os parâmetros agitação e aeração e reduzir a formação de espuma durante a fermentação, a fim de viabilizar este bioprocesso. / The growing concern with sustainability and the consumption of natural, ecologically correct and biodegradable products highlights the importance of developing processes that use renewable raw materials to obtain products that can be applied in industry. In the last years, it has been tried to make viable the lignocellulosic biorrefinaries concept in order to obtain products from vegetal biomass, mainly from agricultural and agroindustrial by-products. In this context, the biosurfactants, which are microbial metabolites with tensoactive, emulsifying and antimicrobial properties, are bioproducts studied because they can be applied in the petroleum, chemical, food, pharmaceutical and cosmetic industries. Different strategies to reduce the cost of microbiological production of surfactant compounds have been developed in order to make the process viable from an economic and industrial point of view and among them are the development of more efficient bioprocesses, including the optimization of fermentation process conditions and the use of cheaper substrates, however, few works were done using yeasts and sugarcane bagasse as a renewable raw material available in Brazil. In this context, the main objective of this research is to study the influence of agitation and aeration in the production of biosurfactant using hemicellulosic hydrolyzate of sugarcane bagasse supplemented with nutrients and the yeast Cutaneotrichosporon mucoides in stirred tank bioreactor. For this purpose, a 22 full factorial design was used and the emulsification index (E.I.) and the surface tension (S.T.) of the medium were analyzed after 96 h of fermentation. The best results (E.I. = 69.4% and S.T. = 57.8 mN.m-1) were obtained when using the highest agitation (250 rpm) and the lowest aeration (0.5 vvm). High results of E.I. showed the emulsifying potential of the biosurfactant produced, mainly in petrochemical industry. However, it is still necessary optimizing agitation and aeration parameters and decrease foaming formation during the fermentation in order to favor the viability of this bioprocess.

A bactéria Lactococcus lactis subsp. lactis CECT-4434 foi empregada para investigar o efeito da composição do meio de cultivo na produção biotecnológica de biossurfactante e, adicionalmente bacteriocina. Utilizou-se resíduos agroindustriais, tais como soro de leite e vinhaça de uva, para formular meios de cultivos mais econômicos e naturais, suplementados sacarose e extrato de levedura. Um planejamento fatorial fracionado 24, com adição de três ensaios nos pontos centrais foi empregado para avaliar a influência destas variáveis. A produção de biossurfactante foi influenciada positivamente pela concentração soro de leite, onde 15 % deste demonstrou melhor resultado reduzindo a tensão superficial em cerca de 18,1 mN/m, alcançando produção máxima de biossurfactante equivalente em surfactina de 11,02 mg/L. Em relação à síntese de bacteriocina, a fonte de carbono adicional (sacarose) interferiu de forma antagonista, ou seja, quanto menor a concentração de sacarose, maior a síntese de bacteriocina (com aumento da zona de inibição em 14,2% contra Staphylococcus aureus CECT-239). Observou-se que o ensaio conduzido em biorreator, sob microaeração com 5% de oxigênio dissolvido, promoveu maior produção de biossurfactante (11,6 mg/L) quando comparados aos estudos conduzidos com maior concentração de oxigênio entre 30 a 100%, com produção em média de 2,3 mg/mL. Destaca-se que nenhum estudo da influência do oxigênio dissolvido, principalmente em microaerofilia, para a produção de biossurfactante por bactérias láticas já havia sido realizado. Ademais, o biossurfactante produzido se mostrou altamente estável frente a valores extremos de pH e temperatura, além de demonstrar notável propriedade antimicrobiana e antiadesiva, inibindo Listeria monocytogenes NADC 2045 e Salmonella entérica<i/> CECT-724 em mais de 90%. / Lactococcus lactis subsp. lactis CECT-4434 was used to investigate the effect of the composition of the culture media on the biotechnological production of biosurfactant and bacteriocin additionally. Agroindustrial residues, such as whey and grape vinasse, were used to formulate more economical and natural culture media, supplemented with sucrose and yeast extract. A fractional factorial design 24, with addition of three runs at the central points was used to evaluate the influence of these variables. The biosurfactant production was positively influenced by the concentration of whey, where 15% showed a better result reducing the surface tension by 18.1 mN/m, reaching a maximum production of biosurfactant equivalent in surfactin of 11.02 mg/L. In relation to bacteriocin synthesis, the sucrose interfered in an antagonistic way, that is, the lower the sucrose concentration, the greater the bacteriocin synthesis (with an increase in the zone of inhibition in 14.2% against Staphylococcus aureus CECT-239). It was observed that the bioreactor conducted under microaeration with 5% dissolved oxygen promoted a higher biosurfactant production (11.6 mg/L) when compared to studies conducted with a higher concentration of oxygen between 30 and 100%, with production on average 2.3 mg/mL. It is noteworthy that no study of the influence of dissolved oxygen, mainly in microaerophilic, for the biosurfactant production by lactic acid bacteria had already been carried out. In addition, the biosurfactant produced proved to be highly stable against extreme values of pH and temperature, and demonstrated remarkable antimicrobial and antiadhesive properties, inhibiting Listeria monocytogenes NADC 2045 and Salmonella entérica CECT-724 in more than 90%.

Submitted by Kelson Anthony de Menezes (kelson@ucb.br) on 2016-12-19T18:06:48Z No. of bitstreams: 1 RayaneLuziaViegasCamposDissertacao2015.pdf: 2888012 bytes, checksum: 8f9962ac7690fc08e072b81ccd8516db (MD5) / Made available in DSpace on 2016-12-19T18:06:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RayaneLuziaViegasCamposDissertacao2015.pdf: 2888012 bytes, checksum: 8f9962ac7690fc08e072b81ccd8516db (MD5) Previous issue date: 2015-03-31 / Biosurfactants are metabolites that contain both hydrophobic and hydrophilic domains and are produced by various microorganisms. Due to its characteristics such molecules localize preferable in the interface of polar and non-polar solvents. Biosurfactants are widely used in pharmaceutic, cosmetic, food and agriculture industries. Moreover, they are considered advantageous when compared to chemical ones because they are biodegradable and non-toxic. Currently one of the best known biosurfactant is the rhamnolipids. However, their utilization in large scale are still not possible due to its high production costs. Rhamnolipids are produced mainly by Pseudomonas aeruginosa and are composed by one or two molecules of L-rhamnose attached to a fatty acid molecule. This study aimed the construction of yeast expression vectors that will be used to construct a recombinant strain of Saccharomyces cerevisiae efficient in the production of L-rhamnose and mono-rhamnolipid using sucrose as substrate. For the construction of these vectors, six different genes, responsible for encoding both L-rhamnose and mono-ramnolipideos biosynthetic pathways enzymes described in P. aeruginosa (rmlA, rmlB, rmlC, rmlD, rhlA and rhlB), and one gene, responsible for the synthesis of a substrate break enzyme, described in Pelomonas sacchraphyla (sucrose phosphorylase) were utilized. The genetic engineering proposed in this study is innovative, and has never been done before. The production of rhamnolipid in large-scale at low costs will be highly beneficial for the development of national technologies for production of high value-added chemical. / Biossurfactantes s??o metab??litos produzidos por diversos microrganismos. Estes cont??m um dom??nio hidrof??lico e outro hidrof??bico, estando preferencialmente na interface de compostos polares e apolares. Devido ??s suas propriedades, os biosurfactantes s??o capazes de reduzir a tens??o de superf??cies tendo uma ampla aplica????o na ind??stria farmac??utica, cosm??tica, aliment??cia e agr??cola. O uso de biossurfactante em compara????o com os de origem qu??mica s??o considerados vantajosos, uma vez que s??o biodegrad??veis e n??o t??xicos. Atualmente um dos biossurfactantes mais conhecido e dispon??vel comercialmente s??o os ramnolip??deos. No entanto, a utiliza????o destas mol??culas em larga escala ?? prejudicada devido aos seus elevados custos de produ????o. Ramnolip??deos s??o produzidos principalmente por Pseudomonas aeruginosa e s??o constitu??dos por uma ou duas mol??culas de L-ramnose ligada a uma mol??cula de ??cido graxo. Assim, este estudo teve como objetivo a constru????o de vetores de express??o em levedura para posterior constru????o de cepas recombinantes de Saccharomyces cerevisiae visando a eficiente produ????o de L-ramnose e monoramnolip??deo a partir de sacarose. Para a constru????o desses vetores, foram utilizados seis genes, que codificam as enzimas respons??veis pelas vias de bioss??ntese de Lramnose e mono-ramnolipideos descritos em P. aeruginosa (rmlA, rmlB, rmlC, rmlD, rhlA e rhlB), e um gene, respons??vel pela s??ntese da enzima de quebra do substrato, descrito em Pelomonas sacchraphyla (sacarose fosforilase). A engenharia gen??tica proposta neste estudo ?? inovadora, e pela primeira vez realizada. Com a produ????o do ramnolip??deo em larga escala ?? um baixo custo de produ????o, beneficiar?? o desenvolvimento de tecnologias nacionais para produ????o de qu??micos de alto valor agregado.

A contaminação da água e do solo por hidrocarbonetos aromáticos tem aumentado ao longo dos anos, devido ao seu uso nos mais diversos segmentos industriais. Hidrocarbonetos, tais como tolueno, são descritos como extremamente poluentes, tóxicos e potencialmente mutagénicos e carcinogénicos para os seres humanos. Os hidrocarbonetos são compostos lipófilicos difíceis de serem eliminados, contudo, estes aromáticos podem ser removidos de ambientes contaminados por meio de biorremediação utilizando bactérias produtoras de surfactante. Biossurfatantes são surfactantes principalmente produzidos por microrganismos, as quais promovem a quebra das moléculas de hidrocarbonetos, através da formação de micelas, aumentando a sua mobilidade, a biodisponibilidade e sua exposição à bactérias favorecendo a biodegradação do hidrocarboneto. A produção deste tensoativo exige meios de fermentação e oxigênio para o metabolismo microbiano. Por tanto, aeração e agitação são variáveis operacionais importantes para garantir um coeficiente de transferência de massa de oxigénio eficaz (kLa). Para esta finalidade, o kLa foi determinado experimentalmente em diferentes meios de fermentação, especificamente meio salino básico, meio de baixa salinidade, meio Bushnell-Haas e água do mar, por diversas variáveis operacionais. Ensaios foram realizados em agitador rotativo para selecionar, dentre os diferentes tipos de bactérias, nomeadamente Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis e Bacillus megatherium, o melhor produtor de biossurfactante na presença de tolueno, nos meios de fermentação descritos acima, formulados com diferentes salinidades. A presença de tolueno inibiu o crescimento de microrganismo deslocando seu metabolismo para a produção de biossurfactante. Assim, B. subtilis foi capaz de reduzir a tensão superficial (TS) em 29,49 ± 0,55 unidades, produzindo cerca de 3,52 ± 0,06 mg/L de biossurfactante. Ao elevar o processo para um fermentador de bancada, a quantidade de tolueno no meio de baixa salinidade foi reduzido drasticamente após 12 horas de crescimento (de 45 ml para 7,43 ml), quando B. subtilis foi utilizado, reduzindo o TS em 22,6 unidades (com concentração de biossurfactante de 3,02 mg/L). Os resultados obtidos mostraram que o B. subtilis pode ser considerado um microrganismo promissor para ser utilizado na biorremediação de locais contaminados por tolueno / Contamination of water and soil by aromatic hydrocarbons has been increasing along the years, due to its use in various industrial segments. Hydrocarbons, such as toluene, are described as extremely polluting, toxic, potentially carcinogenic and mutagenic to humans. Hydrocarbons are lipophilic compounds difficult to be disposed of; however, the aromatic ones can be removed from contaminated environments via bioremediation using surfactant-producing bacteria. Biosurfactants are surfactants produced mainly by microorganisms, which promote the breaking of hydrocarbons molecules, by means of the formation of micelles, increasing their mobility, bioavailability and exposure to bacteria favoring hydrocarbon biodegradation. This tensoactive production requires oxygen and fermentation media for the microorganism metabolism. Thus, aeration and agitation are important operating variables to ensure an effective oxygen mass transfer coefficient (kLa). To this purpose, such a response was experimentally determined in this study in different fermentation media, specifically basal saline medium, low saline medium, Bushnell-Haas medium and sea water, and correlated with the above operating variables. Rotary shaker essays were performed to select, among different bacteria, namely Bacillus subtilis, Bacillus megatherium and Bacillus licheniformis, the best biosurfactant producer in the presence of toluene, in fermentative broths described above, formulated with different salinities. The presence of toluene inhibited the growth of microorganism shifting the metabolism to the production of biosurfactant. Thus, B. subtilis was able to reduce the surface tension (ST) in 29.49 ± 0.55 units producing up to 3.52 ± 0.06 mg/L of biosurfactant. Scaling up the process to a bench fermentor, the quantity of toluene in the low salinity medium was reduced drastically after 12 h of growth (from 45 mL to 7.43 mL), when B. subtilis was used, reducing the ST in 22.6 units (biosurfactant concentration of 3.02 mg/L). The results obtained showed that B. subtilis can be considered a promising microorganism to be used for the bioremediation of sites contaminated by toluene.

[pt] A busca por novos reagentes de baixa toxicidade e de alta biodegradabilidade tem sido estimulada. Como resultado, diversas pesquisas vêm desenvolvendo biorreagentes, dentre eles os biossurfactantes. Os biossurfactantes são moléculas de origem microbiana que possuem ação superficial. Essas moléculas, com propriedades anfifílicas, são produzidas biologicamente e têm aplicação em diversos setores industriais. Assim sendo, esta pesquisa teve como objetivo estudar a flotação do sistema hematita-quartzo utilizando o biossurfactante solúvel produzido por Rhodococcus erythropolis como biorreagente coletor. O biossurfactante (BS) foi caracterizado por análises químicas para determinar a percentagem de proteínas, carboidratos e lipídeos e, suas propriedades físico-químicas foram determinadas por tensão superficial e concentração micelar crítica (CMC). Os minerais e sua interação com o BS foram caracterizados por medições de potencial zeta, medidas de ângulo de contato e espectroscopia no infravermelho (FTIR) para determinar suas propriedades eletrocinéticas, hidrofobicidade e grupos funcionais, respectivamente. Os resultados de adsorção revelaram maior adsorção do biossurfactante na superfície de hematita do que na superfície de quartzo e, isto foi confirmado por analises FTIR e testes de microflotação. Os resultados de microflotação de hematita e de quartzo foram maiores em pH 3 e com concentração de BS de 100 mg/L, com recuperações em torno de 99,88 por cento e 31,05 por cento, respectivamente e, os mesmos foram analisados estatisticamente para obter uma função polinomial representativa da microflotação. Os testes de microflotação do sistema hematita-quartzo mostraram que o biossurfactante é mais seletivo com hematita do que quartzo. O estudo cinético mostrou que os dados experimentais da microflotação de hematita foram ajustados quanto ao modelo cinético de primeira ordem como ao modelo cinético de ordem fracionária, enquanto os dados experimentais da microflotação de quartzo foram ajustados ao modelo cinético de ordem fracionária. Finalmente, os resultados deste trabalho evidenciaram que a utilização do biossurfactante solúvel produzido por Rhodococcus erythropolis como reagente coletor no sistema hematita-quartzo foi viável, demonstrando o seu grande potencial e mostrando- se bastante promissor para uma futura aplicação na indústria da flotação mineral. / [en] The search for new reagents of low toxicity and high biodegradability has been stimulated. As a result, several researches have been developing bioreagents, among them biosurfactants. Biosurfactants are molecules of microbial origin that have surface action. These molecules, with amphiphilic properties, are produced biologically and have application in various industrial sectors. Therefore, this research aimed to study the flotation of the hematite- quartz system using the soluble biosurfactant produced by Rhodococcus erythropolis as a collector bioreagent. The biosurfactant (BS) was characterized by chemical analysis to determine the percentage of proteins, carbohydrates and lipids and its physicochemical properties were determined by surface tension and critical micellar concentration (CMC). The minerals and their interaction with BS were characterized by measurements of zeta potential, contact angle measurements and infrared spectroscopy (FTIR) to determine their electrokinetic properties, hydrophobicity and functional groups, respectively. The adsorption results revealed higher adsorption of the biosurfactant onto the hematite surface than onto quartz surface and this was confirmed by FTIR analysis and microflotation tests. The results of hematite and quartz microflotation were higher at pH 3 and at the concentration of 100 mg/L, with recoveries around 99.88 percent and 31.05 percent, respectively, and they were analyzed statistically to obtain a polynomial function representative of microflotation. The microflotation tests of the hematite-quartz system showed that the biosurfactant is more selective with hematite than quartz. The kinetic study showed that the experimental data of hematite microflocation were adjusted to both the first order kinetic model and the kinetic model of non-integral order, while the experimental data of the quartz microflotation were adjusted to the kinetic model of non-integral order. Finally, the results of this work showed that the use of the soluble biosurfactant produced by Rhodococcus erythropolis as a collector reagent in the hematite-quartz system was feasible, demonstrating its great potential and showing quite promising for a future application in the mineral flotation industry.

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Made available in DSpace on 2014-06-11T19:32:17Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-12-13Bitstream added on 2014-06-13T20:43:02Z : No. of bitstreams: 1 mariano_ap_dr_rcla.pdf: 1162194 bytes, checksum: 3d879631bb2dc7a195c660cc87f20ab0 (MD5) / Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) / Nesta pesquisa foram temas de estudo diversos aspectos relacionados à técnica de biorremediação de solos e águas subterrâneas contaminados com hidrocarbonetos. A partir de amostras de solo e água subterrânea coletadas em diferentes postos de combustíveis, avaliouse a biorremediação natural da água subterrânea em local onde ocorreu vazamento de óleo diesel, mediante o monitoramento de indicadores geoquímicos durante 2 anos. Diferentes técnicas de biorremediação (bioestimulação com a adição de nutrientes e de um surfactante e bioaumento (injeção de microrganismos)) foram comparadas quando aplicadas isoladas e em conjunto a solos contaminados com óleo diesel e comparou-se a capacidade de diferentes microrganismos em biodegradar óleo diesel comercial e intemperizado. Conciliando a biorremediação com a prática atual no gerenciamento ambiental de reutilização de resíduos, avaliou-se o efeito da adição da vinhaça na biorremediação de solos e águas subterrâneas contaminados com óleo diesel e investigou-se a capacidade de diferentes culturas de bactérias em utilizarem óleo diesel intemperizado como matéria prima para produção de biossurfactante. O método respirométrico de Bartha e Pramer foi utilizado nos experimentos em que foi averiguada a biodegradação em solos e, no caso da água subterrânea, frascos de DBO e reatores aerados. Experimentos de biodegradabilidade dos óleos diesel foram realizados com a técnica do indicador redox DCPIP e o monitoramento da produção de biossurfactantes foi realizado com medidas de tensão superficial, segundo o método do anel de De Nöuy, empregando-se o tensiômetro Krüss K6. A partir do monitoramento dos indicadores geoquímicos, foi possível identificar fatores que corroboram a eficiência da técnica de biorremediação natural para o tratamento da água subterrânea na área de estudo. / In this research, different aspects related to the bioremediation technique of soils and groundwaters contaminated with hydrocarbons were considered. From soil and groundwater samples collected at different petrol stations, the natural bioremediation of the groundwater, where a diesel oil leakage took place, was evaluated by monitoring geochemical indicators for 2 years. Different bioremediation techniques (biostimulation with addition of nutrients and a surfactant and bioaugmentation (injection of microorganisms)) were compared when applied individually or grouped to contaminated soils with diesel oil and the capability of different microorganisms to biodegrade commercial and weathered diesel oil was compared. Considering the current environmental management practice of reusing residues, the effects of the vinasse in the bioremediation of soils and groundwaters contaminated with diesel oil was evaluated and the capability of different bacterial cultures to use weathered diesel oil as raw material to produce biosurfactant was investigated. The Bartha & Pramer respirometric method was employed in the biodegradation experiments with soils, and, in the case of the groundwater, BOD flasks and aerated reactors. The experiments testing the biodegradability of diesel oils were carried out using the DCPIP redox indicator technique and the monitoring of the biosurfactant production by superficial tension measurements, according to the De Nöuy ring method, and employing the Krüss K6 tensiometer. From the monitoring of the geochemical indicators, it was possible to identify factors that support the efficiency of the natural bioremediation technique for the treatment of the groundwater at the area of study. The respirometric experiments demonstrated the importance of the soil nutritional balance and that no gain in terms of increasing the biodegradation efficiency was obtained with the bioaugmentation technique.