Cellulose nanocrystals (CNCs) are frequently prepared by sulfuric acid hydrolysis of a purified cellulose starting material. CNC yields, however, are generally low, often below 20%. This study employs response surface methodology to optimize the hydrolysis conditions for maximum CNC yield. Two experimental designs were tested and compared: the central composite design (CCD) and the Box–Behnken design (BBD). The three factors for the experimental design were acid concentration, hydrolysis temperature, and hydrolysis time. The responses quantified were CNC yield, sulfate group density, ζ-potential, z-average diameter, and Peak 1 value. The CCD proved suboptimal for this purpose because of the extreme reaction conditions at some of its corners, specifically (1,1,1) and (–1,–1, –1). Both models predicted maximum CNC yields in excess of 65% at similar sulfuric acid concentrations (~59 wt %) and hydrolysis temperatures (~65 °C). With the BBD, the hydrolysis temperature for maximum yield lay slightly outside the design space. All three factors were statistically significant for CNC yield with the CCD, whereas with the BBD, the hydrolysis time in the range 60–150 min was statistically insignificant. With both designs, the sulfate group density was a linear function of the acid concentration and hydrolysis temperature and maximal at the highest acid concentration and hydrolysis temperature of the design space. Both designs showed the hydrolysis time to be statistically insignificant for the ζ-potential of CNCs and yielded potentially data-overfitting regression models. With the BBD, the acid concentration significantly affected both the z-average diameter and Peak 1 value of CNCs. However, whereas the z-average diameter was more strongly affected by the hydrolysis temperature than the hydrolysis time, the Peak 1 value was more strongly affected by the hydrolysis time. The CCD did not yield a valid regression model for the Peak 1 data and a potentially data-overfitting model for the z-average diameter data. A future optimization study should use the BBD but slightly higher hydrolysis temperatures and shorter hydrolysis times than used with the BBD in this study (45–65 °C and 60–150 min, respectively). / Master of Science

As folhas de Maytenus ilicifolia são amplamente utilizadas na medicina tradicional brasileira no tratamento de distúrbios gástricos. Após a comprovação de sua eficácia e segurança, a referida droga vegetal tem sido objeto de diversos estudos com a finalidade de estabelecer parâmetros para o controle de qualidade. Neste sentido, foi avaliada a viabilidade do desenvolvimento de um método analítico fundamentado na precipitação de taninos empregando povidona como agente seqüestrante. Os dados revelaram que a remoção de taninos em solução é satisfatória quando empregada a povidona insolúvel. Foi observado que o polímero também é capaz de precipitar outros polifenóis além dos taninos presentes na solução extrativa de M. ilicifolia. Entretanto, as interações do polímero ocorrem preferencialmente com os derivados catéquicos. Adicionalmente foi desenvolvido e validado um método por CLAE para separação e quantificação de catequina e epicatequina em produtos derivados de M. ilicifolia. Não foram detectadas variações nas áreas dos picos ou nos tempos de retenção durante os ensaios de avaliação do método, sugerindo que as condições cromatográficas empregadas são satisfatórias. Para viabilizar a preparação de produto seco por aspersäo (PSA) em torre de secagem piloto munida de aspersor rotatório, foi necessária a concentração da solução extrativa. A operação foi realizada sob pressão reduzida até alcangar um teor de sólidos mínimo de 15 % (m/m). A operação de secagem da solução concentrada apresentou rendimento de 90 % e o PSA obtido apresentou partículas esféricas, com superfície rugosa e tamanho médio de 22,5 um. A caracterização tecnológica do material revelou que as suas propriedades tecnológicas, tais como, densidades, compressibilidade e fluxo, foram incrementadas quando comparados com o produto preparado em equipamento de bancada. Entretanto, estas modificações não foram suficientes para viabilizar sua compressão direta. Assim sendo, o material foi compactado em máquina de comprimir e em rolos para produção de grânulos. A análise do perfil compressional do PSA e dos granulados, empregando o modelo de Heckel, revelou que o aumento da força de compactação durante a operação de granulação foi o principal responsável pela diminuição no potencial de deformação plástica dos grânulos. Como conseqüência, a recompressão dos grânulos em máquina de comprimir originou compactos com dureza inferior àqueles preparados diretamente do complexo farmacêutico. Enquanto o PSA apresentou reduzida tendência ao rearranjo particular nos estágios iniciais da compressão, os grânulos sofreram intensa reacomodação decorrente da fragmentação e formação de novas pontes, assumindo comportamento plástico em pressões de compressão mais elevadas. Por fim, comprimidos contendo teor elevado de granulado de PSA foram preparados utilizando como adjuvantes a celulose microcristalina, o dióxido de silício coloidal e a croscarmelose sódica. A influência da concentração de dióxido de silício coloidal e croscarmelose sódica na formulação, sobre as respostas de dureza, friabilidade e tempo de desintegração dos comprimidos foram avaliadas através de um Desenho Composto Central. Os dados experimentais foram analisados estatisticamente, utilizando os modelos matemáticos para gerar superfícies de resposta. Os resultados indicaram que a concentração de dióxido de silício coloidal foi inversamente relacionada às respostas de dureza e friabilidade, enquanto que a concentração de croscarmelose sódica foi a principal responsável pela redução no tempo de desintegração. As condições ótimas foram selecionadas através da sobreposição dos gráficos, buscando uma formulação com menor tempo de desintegração, menor friabilidade e o máximo de dureza. A formulação eleita deve conter 1,2 % (m/m) de dióxido de silício coloidal e 5,0 % (m/m) de croscarmelose sódica. Nestas condições os comprimidos apresentaram dureza de 107,9 N, friabilidade de 0,56 % (m/m) e desintegração máxima em 6,8 min. / The leaves of Maytenus ilicifolia are widely used within the traditional Brazilian medicine due to its properties against gastric disorders. Once proved its efficacy and safety, this vegetable drug has been the object of several studies to establish the basis for quality control. Taking this into consideration, it was necessary to evaluate the feasibility of developing an analytical method based on the precipitation of tannins, by using polyvinylpyrrolidone for precipitation. The data have shown that the removal of the tannins in solution was successful when insoluble polyvinylpyrrolidone was used. Hereby it was observed that the polymer has also the ability to precipitate other polyphenols besides the tannins from the aqueous solution of M. ilicifolia. However, the interactions of the polymer happened mostly with the condensed tannins. Further it was developed and also validated an HPLC method to separate and quantify catechin and epicatechin present in aqueous extracts of M. ilicifolia. No significant variations of peak areas or retention times were observed when the evaluation of the method was executed, showing satisfactory chromatographic conditions. In order to make a spray dried extract (SDE) using a spray-drier fitted out with a rotary atomizer, it was necessary to concentrate the extractive solution. This operation had been performed under reduced pressure until a content of 15 % solids was achieved. The drying of the concentrated solution lead to a yield of 90 %, and the obtained SDE presented spherical particles, which have a rough surface and a mean particle size of 22,51.1.m. The technological characterization of the SDE showed that attributes such as densities (tap and bulk), compressibility and flow, have been improved when compared to the product prepared using a mini spray-drier supplied with a pneumatic nozzle. However, these modifications were not enough to enable its direct compression. Therefore, the material was compacted to produce granules after slugging or roller compaction, The compressional analysis of the SDE and each granule batch using the Heckel equation proved that the increase in the compaction force once processing the granulation was the main factor to reduce the material's ability to undergo plastic deformation. Consequently, the recompression of the granules in a tablet press led to compacts with a lower crushing strength compared to that prepared by direct compression of the pharmaceutical complex. Whereas the SDE has shown a reduced tendency to particle rearrangement at early stage of compression, the granules showed an intense fragmentation and rebound behavior, presenting a plastic behavior when higher compaction pressures were used. Finally, tablets containing a high dose of granulated spray dried extract of M. ilicifolia were prepared by using the following excipients: microcrystalline cellulose (filler/binder), colloidal silicon dioxide (glidant and moisture adsorber) and cross-linked carboxymethylcellulose (disintegrant). The influences of colloidal silicon dioxide (CSD) and cross-linked carboxymethylcellulose (CMC-Na) on the tablet hardness, disintegration time and friability were evaluated by a central composite design. The data were analyzed statistically and mathematical models were used to create response surfaces. The results have indicated that the concentration of CSD shows an inverse relation to the responses of hardness and friability, while the concentration of CMC-Na was the most important factor that caused a reduction of the time necessary for total disintegration. The optimal conditions for processing were chosen by the overlapping of graphics, taking into consideration that the formulation should present a minimum of disintegration time, lower friability and a maximum of hardness. Thus, it was found that the best formulation should have a content of 1.2% (w/w) of CSD and 5.0% (w/w) of CMC-Na. Regarding these conditions, the tablets have shown a hardness of 107.9 N, friability of 0.56% (w/w) and a disintegration time of 6.8 min.

Neste trabalho avaliou-se a produção de compostos de interesse biotecnológico potenciais vetores energéticos a partir de papel em lisímetros (20L), usando-se consórcio microbiano enriquecido do fluido de rúmen. Para tanto, foi realizado um delineamento composto central (DCC) para verificar a influência de três variáveis independentes na conversão de papel sulfite a hidrogênio e outros compostos orgânicos em lisímetro de bancada. As variáveis testadas foram massa de papel (X1: 500g, 750g e 1000g), teor de umidade papel (X2: 50%, 65% e 80%), e temperatura (X3:35°C, 45°C e 55°C). As respostas avaliadas no DCC foram produção de hidrogênio (Y1; mmol), ácido acético (Y2; mg/L), etanol (Y3; mg/L) e metanol (Y4; mg/L). Para o monitoramento dos lisímetros em relação à hidrólise e fermentação do papel, foram analisados biogás (H2, N2, CO2 e CH4) e a concentração de compostos no percolado, como açúcares totais, demanda química de oxigênio (DQO), ácidos orgânicos voláteis (AOVs) e álcoois. Além disso, monitorou-se o pH, alcalinidade e sólidos totais. Sequenciamento massivo do gene RNAr 16S via Plataforma Illumina foi usado para identificação dos micro-organismos do fluido de rúmen in natura, do consórcio enriquecido, e daqueles dos lisímetros R2, R5 e R9. Produção de hidrogênio só foi observada nos lisímetros R1 (25 mmol), R2 (35 mmol) e R5 (3 mmol), sendo os três com umidade inicial de 80%. Em R1 e R2, observou-se elevadas concentrações de ácido acético, de 21.500 e 17.000 mg/L, respectivamente, provavelmente devido à ocorrência de homoacetogênese. Sob temperatura termofílica, especialmente em R5, observou-se consumo de hidrogênio, e produção de etanol (2.300 mg/L) e metanol (5.600 mg/L). Na condição de 80% de umidade (R1, R2, R5, R6), verificou-se maiores percentuais de remoção de papel e atividade fermentativa mais acentuada, ao passo que abaixo de 80%, o desenvolvimento microbiano foi desfavorecido, independente da temperatura. Verificou-se consumo muito reduzido de papel e baixas concentrações de AOVs e álcoois para R3, R4, R7 e R8, todos com 50% umidade. Em R9 e R10, operados a 45 °C e 65% de umidade, também verificou-se produção atenuada de AOVs e álcoois, com ausência de hidrogênio. Por meio do DCC, observou-se efeito estatisticamente significativo da umidade do papel na produção de hidrogênio, ácido acético e etanol. Em relação à temperatura, verificou-se efeito positivo estatisticamente significativo na produção de hidrogênio e ácido acético. Por fim, para a massa de papel não se verificou nenhum efeito sobre as respostas analisadas. Os gêneros de bactérias mais abundantes foram: Prevotella no fluido de rúmen in natura (F.N.) Dysgonomonas no fluido de rúmen enriquecido e em R2 (35°C), Thermicanus em R5 (55°C) e Phaeospirillum em R9 (45ºC). A umidade foi o parâmetro mais determinante para promover a hidrólise e fermentação do papel; a temperatura foi a principal variável de influência na estrutura das comunidades microbianas dos lisímetros, confirmada pelas diferentes rotas metabólicas observadas sob temperatura mesofílica e termofílica; e os rendimentos de produção dos compostos não foram influenciados pela massa de papel adicionada aos lisímetros. / This study evaluated the production of compounds of biotechnological interest and potential energy vectors from office paper in lysimeters (20L), using a microbial consortium purified from rumen fluid. A central composite design (CCD) was performed to verify the influence of three independent variables on paper conversion to hydrogen and other organic compounds in bench lysimeter. The tested variables were: mass of paper (x1: 500g, 750g and 1000g), moisture content (x2: 50%, 65% and 80%), and incubation temperature (x3: 35°C, 45°C and 55°C). The dependent variables of CCD were production of hydrogen (Y1: mmol), acetic acid (Y2: mg/L), ethanol (Y3:mg/L) and metanol (Y4:mg/L). For monitoring the lysimeters in relation to paper hydrolysis and fermentation, analyses of biogas (H2, N2, CO2 and CH4) and the organic compounds' concentrations in the leachate, such as, total sugars, chemical oxygem demand, volatile organic acids (VOA's) and alcohols were conducted during operation. Alcalinity, pH and total solids content of the leachate were also monitored. Massive sequencing of rRNA 16S (Illumina) was carried out for identification of the microorganisms of the in natura rumen fluid, the purified consortium, and those collected from lysimeters R2, R5 and R9. Hydrogen production was detected only in lysimeters R1 (25 mmol), R2 (35 mmol) and R5 (3 mmol), all of them operated with 80% of moisture content. In R1 and R2, high concentrations of acetic acid, of 21.500 and 17.000, respectively, were due to the likely occurrence of homoacetogenesis. Under thermophilic temperature, especially R5, the hydrogen production was detected in low quantity, and the highlight was the production of ethanol and methanol, with concentrations around 2.300 and 5.600 mg/L, respectively. At 80% moisture condition (R1, R2, R5, R6), high percentages of paper removal and sharp fermentative activity were observed. However, at lower moisture conditions, the microbial growth was unfavored, independent of the temperature. Low paper consumption and reduced concentrations of OVA's and alcohols were detected in R3, R4, R7 and R8, all of them operated with 50% of moisture content. In R9 and R10, operated at 45°C and 65% of moisture, there was also attenuated production of VOA\'s and alcohols, with absence of hydrogen. According to CCD statistical analysis, paper moisture content had positive effect statistically significative on hydrogen, acetic acid and etanol production. The temperature had positive effect on hydrogen and acetic acid production. And the mass of paper dit not have effect statistically significative for any dependent variables. The most abundant bacterial genus was: Prevotella in the in natura rumen fluid (F.N.) Dysgonomonas in the purified consortium and R2 (35 oC), Thermicanus in R5 (55°C) and Phaeospirillum in R9 (45° C). In conclusion, moisture content was the main parameter to promote paper hydrolysis and fermentation; temperature was the principal variable that influenced the structure of microbial community, confirmed by the different metabolic route observed under mesophilic and thermophilic conditions; and the production yields of the compounds were not influenced by the mass of paper added to the lysimeters.

Neste trabalho avaliou-se a produção de compostos de interesse biotecnológico potenciais vetores energéticos a partir de papel em lisímetros (20L), usando-se consórcio microbiano enriquecido do fluido de rúmen. Para tanto, foi realizado um delineamento composto central (DCC) para verificar a influência de três variáveis independentes na conversão de papel sulfite a hidrogênio e outros compostos orgânicos em lisímetro de bancada. As variáveis testadas foram massa de papel (X1: 500g, 750g e 1000g), teor de umidade papel (X2: 50%, 65% e 80%), e temperatura (X3:35°C, 45°C e 55°C). As respostas avaliadas no DCC foram produção de hidrogênio (Y1; mmol), ácido acético (Y2; mg/L), etanol (Y3; mg/L) e metanol (Y4; mg/L). Para o monitoramento dos lisímetros em relação à hidrólise e fermentação do papel, foram analisados biogás (H2, N2, CO2 e CH4) e a concentração de compostos no percolado, como açúcares totais, demanda química de oxigênio (DQO), ácidos orgânicos voláteis (AOVs) e álcoois. Além disso, monitorou-se o pH, alcalinidade e sólidos totais. Sequenciamento massivo do gene RNAr 16S via Plataforma Illumina foi usado para identificação dos micro-organismos do fluido de rúmen in natura, do consórcio enriquecido, e daqueles dos lisímetros R2, R5 e R9. Produção de hidrogênio só foi observada nos lisímetros R1 (25 mmol), R2 (35 mmol) e R5 (3 mmol), sendo os três com umidade inicial de 80%. Em R1 e R2, observou-se elevadas concentrações de ácido acético, de 21.500 e 17.000 mg/L, respectivamente, provavelmente devido à ocorrência de homoacetogênese. Sob temperatura termofílica, especialmente em R5, observou-se consumo de hidrogênio, e produção de etanol (2.300 mg/L) e metanol (5.600 mg/L). Na condição de 80% de umidade (R1, R2, R5, R6), verificou-se maiores percentuais de remoção de papel e atividade fermentativa mais acentuada, ao passo que abaixo de 80%, o desenvolvimento microbiano foi desfavorecido, independente da temperatura. Verificou-se consumo muito reduzido de papel e baixas concentrações de AOVs e álcoois para R3, R4, R7 e R8, todos com 50% umidade. Em R9 e R10, operados a 45 °C e 65% de umidade, também verificou-se produção atenuada de AOVs e álcoois, com ausência de hidrogênio. Por meio do DCC, observou-se efeito estatisticamente significativo da umidade do papel na produção de hidrogênio, ácido acético e etanol. Em relação à temperatura, verificou-se efeito positivo estatisticamente significativo na produção de hidrogênio e ácido acético. Por fim, para a massa de papel não se verificou nenhum efeito sobre as respostas analisadas. Os gêneros de bactérias mais abundantes foram: Prevotella no fluido de rúmen in natura (F.N.) Dysgonomonas no fluido de rúmen enriquecido e em R2 (35°C), Thermicanus em R5 (55°C) e Phaeospirillum em R9 (45ºC). A umidade foi o parâmetro mais determinante para promover a hidrólise e fermentação do papel; a temperatura foi a principal variável de influência na estrutura das comunidades microbianas dos lisímetros, confirmada pelas diferentes rotas metabólicas observadas sob temperatura mesofílica e termofílica; e os rendimentos de produção dos compostos não foram influenciados pela massa de papel adicionada aos lisímetros. / This study evaluated the production of compounds of biotechnological interest and potential energy vectors from office paper in lysimeters (20L), using a microbial consortium purified from rumen fluid. A central composite design (CCD) was performed to verify the influence of three independent variables on paper conversion to hydrogen and other organic compounds in bench lysimeter. The tested variables were: mass of paper (x1: 500g, 750g and 1000g), moisture content (x2: 50%, 65% and 80%), and incubation temperature (x3: 35°C, 45°C and 55°C). The dependent variables of CCD were production of hydrogen (Y1: mmol), acetic acid (Y2: mg/L), ethanol (Y3:mg/L) and metanol (Y4:mg/L). For monitoring the lysimeters in relation to paper hydrolysis and fermentation, analyses of biogas (H2, N2, CO2 and CH4) and the organic compounds' concentrations in the leachate, such as, total sugars, chemical oxygem demand, volatile organic acids (VOA's) and alcohols were conducted during operation. Alcalinity, pH and total solids content of the leachate were also monitored. Massive sequencing of rRNA 16S (Illumina) was carried out for identification of the microorganisms of the in natura rumen fluid, the purified consortium, and those collected from lysimeters R2, R5 and R9. Hydrogen production was detected only in lysimeters R1 (25 mmol), R2 (35 mmol) and R5 (3 mmol), all of them operated with 80% of moisture content. In R1 and R2, high concentrations of acetic acid, of 21.500 and 17.000, respectively, were due to the likely occurrence of homoacetogenesis. Under thermophilic temperature, especially R5, the hydrogen production was detected in low quantity, and the highlight was the production of ethanol and methanol, with concentrations around 2.300 and 5.600 mg/L, respectively. At 80% moisture condition (R1, R2, R5, R6), high percentages of paper removal and sharp fermentative activity were observed. However, at lower moisture conditions, the microbial growth was unfavored, independent of the temperature. Low paper consumption and reduced concentrations of OVA's and alcohols were detected in R3, R4, R7 and R8, all of them operated with 50% of moisture content. In R9 and R10, operated at 45°C and 65% of moisture, there was also attenuated production of VOA\'s and alcohols, with absence of hydrogen. According to CCD statistical analysis, paper moisture content had positive effect statistically significative on hydrogen, acetic acid and etanol production. The temperature had positive effect on hydrogen and acetic acid production. And the mass of paper dit not have effect statistically significative for any dependent variables. The most abundant bacterial genus was: Prevotella in the in natura rumen fluid (F.N.) Dysgonomonas in the purified consortium and R2 (35 oC), Thermicanus in R5 (55°C) and Phaeospirillum in R9 (45° C). In conclusion, moisture content was the main parameter to promote paper hydrolysis and fermentation; temperature was the principal variable that influenced the structure of microbial community, confirmed by the different metabolic route observed under mesophilic and thermophilic conditions; and the production yields of the compounds were not influenced by the mass of paper added to the lysimeters.

This study presents an analysis of detour operations as a concept of congestion management. Since a large portion of traffic delay emanates from traffic incidents, the goal of the study was to alleviate incident-induced impacts on freeways by diverting congested traffic on to adjacent roadway facilities. To balance the demand between freeway and arterial systems, optimization was required through Integrated Corridor Management (ICM). This thesis examines the justification and optimization of dynamic traffic routing strategies. Previous studies have justified detour operations based solely on traffic simulation results. This study quantifies the impacts from freeway incidents on a parallel arterial roadway using a data-driven signal processing technique, with operating speeds adopted as a performance measure. Results show that rerouting traffic to an adjacent arterial road, due to a freeway incident, can mitigate the mobility of the corridor with a probability of up to 88% depending on the type of incident and occurrence time. Results also indicate that diverting traffic during off-peak hours, especially for minor incidents, provides minimal mobility benefits. A secondary focus of this study explored the optimum dynamic traffic diversion, to an adjacent arterial roadway, from incident-induced freeway congestion to better utilize the freeway’s available corridor capacity. VISSIM, a microsimulation tool, was employed to simulate a freeway incident and measure the performance of detour operations. A 23 full factorial central composite design was used to establish a relationship between the performance of the detour operation and three control factors: incident duration, diversion rate, and demand level. The resulting regression equation predicts the corridor delay with over 83% accuracy. The findings of this study can potentially serve as a building block in the understanding and development of future ICM systems and incident management plans.

As folhas de Maytenus ilicifolia são amplamente utilizadas na medicina tradicional brasileira no tratamento de distúrbios gástricos. Após a comprovação de sua eficácia e segurança, a referida droga vegetal tem sido objeto de diversos estudos com a finalidade de estabelecer parâmetros para o controle de qualidade. Neste sentido, foi avaliada a viabilidade do desenvolvimento de um método analítico fundamentado na precipitação de taninos empregando povidona como agente seqüestrante. Os dados revelaram que a remoção de taninos em solução é satisfatória quando empregada a povidona insolúvel. Foi observado que o polímero também é capaz de precipitar outros polifenóis além dos taninos presentes na solução extrativa de M. ilicifolia. Entretanto, as interações do polímero ocorrem preferencialmente com os derivados catéquicos. Adicionalmente foi desenvolvido e validado um método por CLAE para separação e quantificação de catequina e epicatequina em produtos derivados de M. ilicifolia. Não foram detectadas variações nas áreas dos picos ou nos tempos de retenção durante os ensaios de avaliação do método, sugerindo que as condições cromatográficas empregadas são satisfatórias. Para viabilizar a preparação de produto seco por aspersäo (PSA) em torre de secagem piloto munida de aspersor rotatório, foi necessária a concentração da solução extrativa. A operação foi realizada sob pressão reduzida até alcangar um teor de sólidos mínimo de 15 % (m/m). A operação de secagem da solução concentrada apresentou rendimento de 90 % e o PSA obtido apresentou partículas esféricas, com superfície rugosa e tamanho médio de 22,5 um. A caracterização tecnológica do material revelou que as suas propriedades tecnológicas, tais como, densidades, compressibilidade e fluxo, foram incrementadas quando comparados com o produto preparado em equipamento de bancada. Entretanto, estas modificações não foram suficientes para viabilizar sua compressão direta. Assim sendo, o material foi compactado em máquina de comprimir e em rolos para produção de grânulos. A análise do perfil compressional do PSA e dos granulados, empregando o modelo de Heckel, revelou que o aumento da força de compactação durante a operação de granulação foi o principal responsável pela diminuição no potencial de deformação plástica dos grânulos. Como conseqüência, a recompressão dos grânulos em máquina de comprimir originou compactos com dureza inferior àqueles preparados diretamente do complexo farmacêutico. Enquanto o PSA apresentou reduzida tendência ao rearranjo particular nos estágios iniciais da compressão, os grânulos sofreram intensa reacomodação decorrente da fragmentação e formação de novas pontes, assumindo comportamento plástico em pressões de compressão mais elevadas. Por fim, comprimidos contendo teor elevado de granulado de PSA foram preparados utilizando como adjuvantes a celulose microcristalina, o dióxido de silício coloidal e a croscarmelose sódica. A influência da concentração de dióxido de silício coloidal e croscarmelose sódica na formulação, sobre as respostas de dureza, friabilidade e tempo de desintegração dos comprimidos foram avaliadas através de um Desenho Composto Central. Os dados experimentais foram analisados estatisticamente, utilizando os modelos matemáticos para gerar superfícies de resposta. Os resultados indicaram que a concentração de dióxido de silício coloidal foi inversamente relacionada às respostas de dureza e friabilidade, enquanto que a concentração de croscarmelose sódica foi a principal responsável pela redução no tempo de desintegração. As condições ótimas foram selecionadas através da sobreposição dos gráficos, buscando uma formulação com menor tempo de desintegração, menor friabilidade e o máximo de dureza. A formulação eleita deve conter 1,2 % (m/m) de dióxido de silício coloidal e 5,0 % (m/m) de croscarmelose sódica. Nestas condições os comprimidos apresentaram dureza de 107,9 N, friabilidade de 0,56 % (m/m) e desintegração máxima em 6,8 min. / The leaves of Maytenus ilicifolia are widely used within the traditional Brazilian medicine due to its properties against gastric disorders. Once proved its efficacy and safety, this vegetable drug has been the object of several studies to establish the basis for quality control. Taking this into consideration, it was necessary to evaluate the feasibility of developing an analytical method based on the precipitation of tannins, by using polyvinylpyrrolidone for precipitation. The data have shown that the removal of the tannins in solution was successful when insoluble polyvinylpyrrolidone was used. Hereby it was observed that the polymer has also the ability to precipitate other polyphenols besides the tannins from the aqueous solution of M. ilicifolia. However, the interactions of the polymer happened mostly with the condensed tannins. Further it was developed and also validated an HPLC method to separate and quantify catechin and epicatechin present in aqueous extracts of M. ilicifolia. No significant variations of peak areas or retention times were observed when the evaluation of the method was executed, showing satisfactory chromatographic conditions. In order to make a spray dried extract (SDE) using a spray-drier fitted out with a rotary atomizer, it was necessary to concentrate the extractive solution. This operation had been performed under reduced pressure until a content of 15 % solids was achieved. The drying of the concentrated solution lead to a yield of 90 %, and the obtained SDE presented spherical particles, which have a rough surface and a mean particle size of 22,51.1.m. The technological characterization of the SDE showed that attributes such as densities (tap and bulk), compressibility and flow, have been improved when compared to the product prepared using a mini spray-drier supplied with a pneumatic nozzle. However, these modifications were not enough to enable its direct compression. Therefore, the material was compacted to produce granules after slugging or roller compaction, The compressional analysis of the SDE and each granule batch using the Heckel equation proved that the increase in the compaction force once processing the granulation was the main factor to reduce the material's ability to undergo plastic deformation. Consequently, the recompression of the granules in a tablet press led to compacts with a lower crushing strength compared to that prepared by direct compression of the pharmaceutical complex. Whereas the SDE has shown a reduced tendency to particle rearrangement at early stage of compression, the granules showed an intense fragmentation and rebound behavior, presenting a plastic behavior when higher compaction pressures were used. Finally, tablets containing a high dose of granulated spray dried extract of M. ilicifolia were prepared by using the following excipients: microcrystalline cellulose (filler/binder), colloidal silicon dioxide (glidant and moisture adsorber) and cross-linked carboxymethylcellulose (disintegrant). The influences of colloidal silicon dioxide (CSD) and cross-linked carboxymethylcellulose (CMC-Na) on the tablet hardness, disintegration time and friability were evaluated by a central composite design. The data were analyzed statistically and mathematical models were used to create response surfaces. The results have indicated that the concentration of CSD shows an inverse relation to the responses of hardness and friability, while the concentration of CMC-Na was the most important factor that caused a reduction of the time necessary for total disintegration. The optimal conditions for processing were chosen by the overlapping of graphics, taking into consideration that the formulation should present a minimum of disintegration time, lower friability and a maximum of hardness. Thus, it was found that the best formulation should have a content of 1.2% (w/w) of CSD and 5.0% (w/w) of CMC-Na. Regarding these conditions, the tablets have shown a hardness of 107.9 N, friability of 0.56% (w/w) and a disintegration time of 6.8 min.

As folhas de Maytenus ilicifolia são amplamente utilizadas na medicina tradicional brasileira no tratamento de distúrbios gástricos. Após a comprovação de sua eficácia e segurança, a referida droga vegetal tem sido objeto de diversos estudos com a finalidade de estabelecer parâmetros para o controle de qualidade. Neste sentido, foi avaliada a viabilidade do desenvolvimento de um método analítico fundamentado na precipitação de taninos empregando povidona como agente seqüestrante. Os dados revelaram que a remoção de taninos em solução é satisfatória quando empregada a povidona insolúvel. Foi observado que o polímero também é capaz de precipitar outros polifenóis além dos taninos presentes na solução extrativa de M. ilicifolia. Entretanto, as interações do polímero ocorrem preferencialmente com os derivados catéquicos. Adicionalmente foi desenvolvido e validado um método por CLAE para separação e quantificação de catequina e epicatequina em produtos derivados de M. ilicifolia. Não foram detectadas variações nas áreas dos picos ou nos tempos de retenção durante os ensaios de avaliação do método, sugerindo que as condições cromatográficas empregadas são satisfatórias. Para viabilizar a preparação de produto seco por aspersäo (PSA) em torre de secagem piloto munida de aspersor rotatório, foi necessária a concentração da solução extrativa. A operação foi realizada sob pressão reduzida até alcangar um teor de sólidos mínimo de 15 % (m/m). A operação de secagem da solução concentrada apresentou rendimento de 90 % e o PSA obtido apresentou partículas esféricas, com superfície rugosa e tamanho médio de 22,5 um. A caracterização tecnológica do material revelou que as suas propriedades tecnológicas, tais como, densidades, compressibilidade e fluxo, foram incrementadas quando comparados com o produto preparado em equipamento de bancada. Entretanto, estas modificações não foram suficientes para viabilizar sua compressão direta. Assim sendo, o material foi compactado em máquina de comprimir e em rolos para produção de grânulos. A análise do perfil compressional do PSA e dos granulados, empregando o modelo de Heckel, revelou que o aumento da força de compactação durante a operação de granulação foi o principal responsável pela diminuição no potencial de deformação plástica dos grânulos. Como conseqüência, a recompressão dos grânulos em máquina de comprimir originou compactos com dureza inferior àqueles preparados diretamente do complexo farmacêutico. Enquanto o PSA apresentou reduzida tendência ao rearranjo particular nos estágios iniciais da compressão, os grânulos sofreram intensa reacomodação decorrente da fragmentação e formação de novas pontes, assumindo comportamento plástico em pressões de compressão mais elevadas. Por fim, comprimidos contendo teor elevado de granulado de PSA foram preparados utilizando como adjuvantes a celulose microcristalina, o dióxido de silício coloidal e a croscarmelose sódica. A influência da concentração de dióxido de silício coloidal e croscarmelose sódica na formulação, sobre as respostas de dureza, friabilidade e tempo de desintegração dos comprimidos foram avaliadas através de um Desenho Composto Central. Os dados experimentais foram analisados estatisticamente, utilizando os modelos matemáticos para gerar superfícies de resposta. Os resultados indicaram que a concentração de dióxido de silício coloidal foi inversamente relacionada às respostas de dureza e friabilidade, enquanto que a concentração de croscarmelose sódica foi a principal responsável pela redução no tempo de desintegração. As condições ótimas foram selecionadas através da sobreposição dos gráficos, buscando uma formulação com menor tempo de desintegração, menor friabilidade e o máximo de dureza. A formulação eleita deve conter 1,2 % (m/m) de dióxido de silício coloidal e 5,0 % (m/m) de croscarmelose sódica. Nestas condições os comprimidos apresentaram dureza de 107,9 N, friabilidade de 0,56 % (m/m) e desintegração máxima em 6,8 min. / The leaves of Maytenus ilicifolia are widely used within the traditional Brazilian medicine due to its properties against gastric disorders. Once proved its efficacy and safety, this vegetable drug has been the object of several studies to establish the basis for quality control. Taking this into consideration, it was necessary to evaluate the feasibility of developing an analytical method based on the precipitation of tannins, by using polyvinylpyrrolidone for precipitation. The data have shown that the removal of the tannins in solution was successful when insoluble polyvinylpyrrolidone was used. Hereby it was observed that the polymer has also the ability to precipitate other polyphenols besides the tannins from the aqueous solution of M. ilicifolia. However, the interactions of the polymer happened mostly with the condensed tannins. Further it was developed and also validated an HPLC method to separate and quantify catechin and epicatechin present in aqueous extracts of M. ilicifolia. No significant variations of peak areas or retention times were observed when the evaluation of the method was executed, showing satisfactory chromatographic conditions. In order to make a spray dried extract (SDE) using a spray-drier fitted out with a rotary atomizer, it was necessary to concentrate the extractive solution. This operation had been performed under reduced pressure until a content of 15 % solids was achieved. The drying of the concentrated solution lead to a yield of 90 %, and the obtained SDE presented spherical particles, which have a rough surface and a mean particle size of 22,51.1.m. The technological characterization of the SDE showed that attributes such as densities (tap and bulk), compressibility and flow, have been improved when compared to the product prepared using a mini spray-drier supplied with a pneumatic nozzle. However, these modifications were not enough to enable its direct compression. Therefore, the material was compacted to produce granules after slugging or roller compaction, The compressional analysis of the SDE and each granule batch using the Heckel equation proved that the increase in the compaction force once processing the granulation was the main factor to reduce the material's ability to undergo plastic deformation. Consequently, the recompression of the granules in a tablet press led to compacts with a lower crushing strength compared to that prepared by direct compression of the pharmaceutical complex. Whereas the SDE has shown a reduced tendency to particle rearrangement at early stage of compression, the granules showed an intense fragmentation and rebound behavior, presenting a plastic behavior when higher compaction pressures were used. Finally, tablets containing a high dose of granulated spray dried extract of M. ilicifolia were prepared by using the following excipients: microcrystalline cellulose (filler/binder), colloidal silicon dioxide (glidant and moisture adsorber) and cross-linked carboxymethylcellulose (disintegrant). The influences of colloidal silicon dioxide (CSD) and cross-linked carboxymethylcellulose (CMC-Na) on the tablet hardness, disintegration time and friability were evaluated by a central composite design. The data were analyzed statistically and mathematical models were used to create response surfaces. The results have indicated that the concentration of CSD shows an inverse relation to the responses of hardness and friability, while the concentration of CMC-Na was the most important factor that caused a reduction of the time necessary for total disintegration. The optimal conditions for processing were chosen by the overlapping of graphics, taking into consideration that the formulation should present a minimum of disintegration time, lower friability and a maximum of hardness. Thus, it was found that the best formulation should have a content of 1.2% (w/w) of CSD and 5.0% (w/w) of CMC-Na. Regarding these conditions, the tablets have shown a hardness of 107.9 N, friability of 0.56% (w/w) and a disintegration time of 6.8 min.

Made available in DSpace on 2016-08-17T18:39:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3277.pdf: 7015864 bytes, checksum: 9834075e819d2bb62213cf25d21ce5e5 (MD5) Previous issue date: 2010-08-27 / Haemophilus influenzae type b (Hib) is a Gram negative bacterium responsible for causing meningitis worldwide. The capsular polysaccharide b, a polymer composed by repeating units of ribosyl-ribitol phosphate (PRP), is the major virulence factor and it is used in the formulation of the vaccine against this microorganism. Despite their high efficiency, the conjugated vaccine against Hib is a product of high production cost, which involves fermentation, purification and conjugation processes to obtain a final product within the specifications of the World Health Organization (WHO). The improvement of the culture medium and cultivation conditions can contribute to reduce the cost of this vaccine in order to facilitate its dissemination in developing countries. The main objective of this work was to identify culture conditions that result in higher production of capsular polysaccharide, helping to reduce costs in the steps of purification and conjugation. The experiments were carried out in shake flasks or in bioreactors with 7-13 liters of capacity. The temperature was maintained at 37 °C, pH controlled at 7.5 by adding NaOH 5M and the concentration of dissolved oxygen (CDO) maintained at 30% of air saturation. The specific flow rate of air ranged between 0.2 and 1 VVM. Samples were collected at regular time intervals to measure optical density (DO540nm), biomass concentration, capsular polysaccharide (PRP) production and concentrations of glucose and metabolites. Two possibilities for increasing polysaccharide production were studied: 1) different strategies of fed-batch cultivation consisting of: a) intermittent addition of glucose (FBIG), b) constant feeding (FBCF), c) exponential feeding (FBEF), e d) exponential feeding with cell recycle and perfusion (FBER + P); 2) improvement of culture media composition regarding the carbon/nitrogen ratio through the use of central composite rotational design (CCRD) methodology, having as independent variables: Soy Peptone (S), Yeast Extract (YE) and Glucose (G). Quality parameters were also evaluated to assess the molecular weight profile of the product (PRP) as well as morphological aspects of the microorganism. Economic analysis of different cultivation strategies was used to identify the more economically viable process. The results of the different cultivation strategies together with the outputs of the studied processes cost analysis showed that FBCF, with a cost of U.S.$ 425.50/g PRP and productivity of 88 mg/L.h, showed to be the best alternative among PRP production processes due to its lower cost with a good productivity. In the study of the culture media composition through the statistical analysis of the CCRD results showed that the best culture media composition (BCM) consisted of S 5 g/L; YE 5.5g /L and G of 15.25 g/L. DO540nm and PRP volumetric production values of 8.4 and 410 mg/L, respectively, were attained in validation experiments carried out in shake flasks at the BCM condition. For the bioreactor BCM validation experiment, biomass concentration of 3 g DW/L and polysaccharide production of 600 mg PRP/L were observed. Similar values were reached at validation runs performed in shake flasks and bioreactor for the central point CP condition, showing that both BCM and CP conditions belong to the optimum region. The analysis of quality parameters showed that the cultivation time influences strongly the size of the polysaccharide molecule. The longer the cultivation time, the lower molecular weight was found. The analysis by transmission electron microscopy (TEM) of H. influenzae cells revealed a predominance of round cells in the sixth hour of cultivation, whereas in the twelfth hour of cultivation the cells exhibited a more elongated morphology with the presence of cytoplasmic inclusions in the shape of granules, possibly due to the accumulation of some reserve material. Based on these results, the new composition of the culture medium resulted in an increased of cell growth and capsular polysaccharide production with half of the sources nitrogen (soybean peptone and yeast extract) concentrations, which reduces the production cost. The cultivations that resulted in higher production and productivity of polysaccharide were FBCF (1600 mg PRP/L and 88 mg PRP/(L.h)) and FBER+ P (1800 mg PRP/L and 129 mg PRP/(L.h)). The FBER+P reached 30% higher productivity of polysaccharide than the best result described in the literature (90 mg PRP/(L.h)). However, the FBCF cultivation was economically more viable. / Haemophilus influenzae tipo b (Hib) é uma bactéria Gram negativa responsável por causar meningite em todo o mundo. O polissacarídeo capsular b, um polímero composto por unidades repetidas de ribosil-ribitol-fosfato (PRP) e o principal fator de virulência, sendo utilizado na formulação da vacina contra este microrganismo. Apesar de sua elevada eficiência, a vacina conjugada contra Hib é um produto de alto custo de produção por envolver processos de fermentação, purificação e conjugação para obtenção de um produto final dentro das especificações da Organização Mundial da Saúde (OMS). O melhoramento do meio de cultura e das condições de cultivo pode contribuir para redução do custo desta vacina de forma a facilitar sua difusão nos países subdesenvolvidos. Assim, o principal objetivo deste trabalho foi identificar condições de cultivo que resultem em maior produção de polissacarídeo capsular, contribuindo para reduzir os custos nas etapas de purificação e conjugação. Os ensaios foram conduzidos em frascos agitados ou em biorreatores com 7 a 13 litros de capacidade nominal. A temperatura foi mantida em 37oC, o pH controlado em 7,5 através da adição de NaOH 5M e a concentração de oxigênio dissolvido (COD) mantida em 30 % da saturação do ar. A vazão especifica de ar variou entre 0,2 e 1 VVM. Amostras foram coletadas em intervalos regulares de tempo para mensurar densidade óptica (DO540nm), concentração celular, produção de polissacarídeo capsular (PRP) e concentrações de glicose e metabolitos. Duas possibilidades para aumentar a produção de polissacarídeo foram estudadas: 1) diferentes estratégias de cultivo descontinuo alimentado consistindo por: a) adição intermitente de glicose (CDAIG), b) vazão constante (CDAVC), c) vazão exponencial (CDAVE), e d) reciclo de células seguido de perfusão (CDAVE+P)); e 2) o melhoramento da composição do meio de cultura quanto à relação carbono/nitrogênio através do uso da metodologia de delineamento composto central rotacional (DCCR), tendo como variáveis independentes: Peptona de Soja (S), Extrato de Levedura (EL) e Glicose (G). Parâmetros de qualidade também foram avaliados para verificar o perfil da massa molecular do produto (PRP) e os aspectos morfológicos do microrganismo. Os resultados das diferentes estratégias de cultivo juntamente com os resultados da analise econômica do custo dos processos estudados mostraram que o CDAVC, com custo de US$ 425.50/g PRP por ano e produtividade de 88 mg/(L.h), demonstrou ser a melhor alternativa para o processo de produção de PRP por apresentar menor custo com boa produtividade. Já o estudo da composição do meio de cultura através da analise estatística dos resultados do DCCR mostraram que a melhor composição do meio de cultivo (MMC) consistia em S de 5 g/L, EL de 5,5 g/L e G de 15,25 g/L. Valores de DO540nm de 8,4 e de produção volumétrica de polissacarídeo de 410 mg PRP/L foram alcançados em experimentos de validação na condição MMC realizados em shaker. Para o ensaio de validação da condição MMC em reator, a concentração de biomassa de 3,0 g MS/L e a produção de polissacarídeo capsular de 600 mg PRP/L foram observadas. Valores semelhantes foram obtidos em experimentos de validação realizados em shaker e biorreator na condição CPC, mostrando que tanto a condição CPC como a MMC pertencem a região de ótimo. A analise dos parâmetros de qualidade mostrou que o tempo de cultivo influencia fortemente no tamanho da molécula do polissacarídeo, sendo que quanto maior o tempo de cultivo, menor a sua massa molecular. A analise por microscopia eletrônica de transmissão (MET) das células de H. influenzae mostrou a predominância de células com morfologia arredondada na sexta hora de cultivo, enquanto que, na décima segunda hora de cultivo, as células apresentaram morfologia mais alongada e exibiram a presença de inclusões citoplasmáticas na forma de grânulos, possivelmente devido ao acumulo de algum material de reserva. Diante dos resultados obtidos, a nova composição de meio resultou em maior crescimento celular e produção de polissacarídeo capsular, com metade das concentrações das fontes de nitrogênio (peptona de soja e extrato de levedura), o que reduz o custo de produção. Os cultivos que resultaram em maior produção e produtividade foram o CDAVC (1600 mg PRP/L e 88 mg PRP/L.h) e o CDAVE+P (1800 mg PRP/L e 129 mg PRP/L.h), sendo que este ultimo (CDAVE+P) atingiu produtividade 30 % maior que o melhor resultado ate então descrito na literatura (90 mg PRP/L.h). No entanto, o cultivo CDAVC apresentou maior viabilidade do ponto de vista econômico e de execução e passível de escalonamento.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:01:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AndreiaSS.pdf: 675563 bytes, checksum: 8fb6ac6948a845dc7f3157989cb415a1 (MD5) Previous issue date: 2008-02-08 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / This work deals with the kinetics assay of Caj? (Spondias mombin L.) bagasse drying by an experimental design using a tray dryer. In order to add-value to this product a kinetic study has been carried out. A central composite experimental design has been carried out to evaluate the influence of the operational variables: input air temperature (55; 65 e 75?C); the drying air velocity (3.2; 4.6 e 6.0 m/s) and the fixed bed thickness (0.8; 1.2 e 1.6 cm) and as response variable the the moisture content (dry basis). The results showed that the diffusional Fick model fitted quite well the experimental data. The best condition found has been input air temperature of 75?C, drying air velocity of 6.0 m/s as well as fixed bed thickness of 0.8 cm. The experimental design assay showed that the main effects as well as the second ones were significant at 95% confindance level. The best operational condition according to statistical planning was 75 oC input air temperature, 6.0 m.s-1 drying air velocity and 0.8 cm fixed bed thickness. In this case, the equilibrium moisture content (1.3% dry basis) occured at 220 minutes / O presente trabalho teve como objetivo estudar a cin?tica de secagem do baga?o de caj? (mat?ria prima proveniente da ind?stria de processamento de polpa de frutas), em um secador convectivo de bandejas com leito fixo, em que se determinou o coeficiente de difusividade efetiva atrav?s do modelo difusional de Fick. Foi utilizado um planejamento fatorial composto central no qual foram avaliados os seguintes fatores: temperatura do ar de entrada no secador (55; 65 e 75?C); velocidade do ar de entrada (3,2; 4,6 e 6,0 m/s) e espessura da torta na bandeja (0,8; 1,2 e 1,6 cm). Os resultados mostraram que o modelo difusional de Fick descreve bem o processo de secagem e que a melhor condi??o foi com a temperatura de 75?C, velocidade do ar de secagem de 6,0 m/s e espessura da torta de 0,8 cm onde a difusividade efetiva calculada foi de 6,772 x 10-9 m2/s no tempo de 220 minutos. A an?lise do planejamento mostrou que todos os fatores e suas intera??es foram significativos, com n?vel de confian?a de 95%

The methodology of the design of experimnet has become an integral part of the optimisation of manufacturing processes in recent decades. Problems regarding designs of experiments are still up to date, especially because of a variety of approaches to collecting and evaluating data. Scientists in different research and development areas often do not take into account possible shortcommings or even essential assumptions of selected design and/or its evaluation methods. This disertation thesis summarizes theoretical bases of selected designs of experiments. Describes several applications of central composite design on responses regarding wire electrical discharge machining process. And compares different designs of experiment for response surfaces of five parameters with regards to algoritmic selection of statistically signifficant parameters.