Tese (doutorado) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Coordenação dos programas de Pos-Graduação em Engenharia / Made available in DSpace on 2012-10-16T09:27:05Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T19:43:29Z : No. of bitstreams: 1 100037.pdf: 2475809 bytes, checksum: 0c6e306d463478fbd53a6e6a607e0163 (MD5)

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-10-19T12:48:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 338958.pdf: 3638990 bytes, checksum: 23eca8bb60257059ff1c08d56f7f4c1e (MD5) Previous issue date: 2015 / A fermentação ABE (acetona-butanol-etanol) da Clostridium acetobutyli-cum ATCC 824, muito usada industrialmente até 1940, é um dos mais importantes bioprocessos industriais. Recentemente, o interesse nesse processo foi retomado devido à necessidade de substituir fontes combus-tíveis fósseis por vetores energéticos renováveis, principalmente biohi-drogênio e biobutanol. O objetivo desta tese é contribuir para uma melhor compreensão dos problemas associados com a detecção precoce e moni-toramento das mudanças fisiológicas da C. acetobutylicum ATCC 824 em fermentações tipo batelada. Pretende-se também refinar o entendimento desse comportamento variável utilizando a informação genômica dispo-nível desta bactéria e assim contribuir para mostrar como algumas ferra-mentas da Engenharia Genômica podem incorporar novas informações aos métodos tradicionais de monitoramento de bioprocessos. É proposta a incorporação em três diferentes níveis, a saber: (i) nível genômico, (ii) nível metabólico e (iii) nível fenotípico. No nível genômico, a presente pesquisa detectou que existem seis regiões de alta similaridade, nas quais foram identificados 15 genes já mapeados. O gene rpoB foi identificado como um forte candidato a marcador molecular de variabilidade fenotípi-ca. Foi proposta uma relação entre a regulação da transcrição do gene rpoB e o pH do meio de cultura. No nível metabólico, dois modelos meta-bólicos foram desenvolvidos, um modelo simplificado de 20 reações e um modelo genômico completo de 502 reações. Foi detectado que o modelo simplificado era mais adequado para detectar as mudanças fenotípicas da bactéria. Foi criado um modelo simplificado protonado que integra infor-mações do pH do meio de cultura. No nível fenotípico, a técnica de colora-ção de Gram mostrou-se eficiente na detecção precoce das mudanças fisiológicas da C. acetobutylicum. Foi demonstrada uma correlação entre os dados de fermentação e mudanças fisiológicas da parede celular da bactéria. Sugere-se, portanto, um novo método de detecção precoce e monitoramento do estado fisiológico da C. acetobutylicum ATCC 824 (e outras espécies de Clostridium) utilizando técnicas de coloração de Gram para determinar o estado fisiológico no qual a bactéria se encontra, e quais os principais produtos metabólicos da sua fermentação.<br> / Abstract : The problem of renewable and sustainable energy is challenging and requires innovative approaches. The production of biohydrogen, and biofuels in general, particularly biobutanol in the so-called ABE fermenta-tion by Clostridium acetobutylicum, discovered in 1861 by Louis Pasteur, although extensively studied, still lacks some fundamental understanding to facilitate monitoring changes in the physiological state and optimiza-tion. Here we propose a genomic engineering approach, divided in three levels: i) genomic, ii) metabolic, iii) phenotypic. At the genomic level, a comparative whole-genome study was performed comparing C. acetobu-tylicum with six other chosen microorganisms and a in silico Gram type experiment; The whole-genome analysis detected one major gene, the rpoB gene, implied in acquired antibiotic resistance, and possibly impli-cated in phenotypic variation during ABE fermentation. A possible link between the pH regulation and rpoB expression is suggested. The 16S rRNA analysis consistently showed Gram-positive classification for the C. acetobutylicum strain used, incapable of detecting the existent phenotypic variations.at the metabolic level, two metabolic network models were developed: a simplified, core model, with 20 reactions, and a genome-wide model, comprising 502 reactions; to translate the molecular and biochemical information to a useful engineering level, a phenotypic rela-tion between the Gram stain response and pH developed during batch fermentation was analyzed. The simplified core metabolic network suc-cessfully captured the observed strain metabolic profile. Additional regu-latory mechanism was added to the simplified metabolic model with the integration of pH regulation. Using the Gram staining method, we demon-strated a strong correlation between bacterial growth and morphological changes of the cell wall that is useful in monitoring early detection of the metabolic stages of C. acetobutylicum ABE fermentation. The Gram stain-ing technique is proposed as an efficient, low cost method to identify the physiological state of the bacteria culture and its connection with the fermentation state.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-05-24T17:27:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 338958.pdf: 3638990 bytes, checksum: 23eca8bb60257059ff1c08d56f7f4c1e (MD5) Previous issue date: 2015 / A fermentação ABE (acetona-butanol-etanol) da Clostridium acetobutyli-cum ATCC 824, muito usada industrialmente até 1940, é um dos mais importantes bioprocessos industriais. Recentemente, o interesse nesse processo foi retomado devido à necessidade de substituir fontes combus-tíveis fósseis por vetores energéticos renováveis, principalmente biohi-drogênio e biobutanol. O objetivo desta tese é contribuir para uma melhor compreensão dos problemas associados com a detecção precoce e moni-toramento das mudanças fisiológicas da C. acetobutylicum ATCC 824 em fermentações tipo batelada. Pretende-se também refinar o entendimento desse comportamento variável utilizando a informação genômica dispo-nível desta bactéria e assim contribuir para mostrar como algumas ferra-mentas da Engenharia Genômica podem incorporar novas informações aos métodos tradicionais de monitoramento de bioprocessos. à proposta a incorporação em três diferentes níveis, a saber: (i) nível genômico, (ii) nível metabólico e (iii) nível fenotípico. No nível genômico, a presente pesquisa detectou que existem seis regiões de alta similaridade, nas quais foram identificados 15 genes já mapeados. O gene rpoB foi identificado como um forte candidato a marcador molecular de variabilidade fenotípi-ca. Foi proposta uma relação entre a regulação da transcrição do gene rpoB e o pH do meio de cultura. No nível metabólico, dois modelos meta-bólicos foram desenvolvidos, um modelo simplificado de 20 reações e um modelo genômico completo de 502 reações. Foi detectado que o modelo simplificado era mais adequado para detectar as mudanças fenotípicas da bactéria. Foi criado um modelo simplificado protonado que integra infor-mações do pH do meio de cultura. No nível fenotípico, a técnica de colora-ção de Gram mostrou-se eficiente na detecção precoce das mudanças fisiológicas da C. acetobutylicum. Foi demonstrada uma correlação entre os dados de fermentação e mudanças fisiológicas da parede celular da bactéria. Sugere-se, portanto, um novo método de detecção precoce e monitoramento do estado fisiológico da C. acetobutylicum ATCC 824 (e outras espécies de Clostridium) utilizando técnicas de coloração de Gram para determinar o estado fisiológico no qual a bactéria se encontra, e quais os principais produtos metabólicos da sua fermentação.<br> / Abstract : The problem of renewable and sustainable energy is challenging and requires innovative approaches. The production of biohydrogen, and biofuels in general, particularly biobutanol in the so-called ABE fermenta-tion by Clostridium acetobutylicum, discovered in 1861 by Louis Pasteur, although extensively studied, still lacks some fundamental understanding to facilitate monitoring changes in the physiological state and optimiza-tion. Here we propose a genomic engineering approach, divided in three levels: i) genomic, ii) metabolic, iii) phenotypic. At the genomic level, a comparative whole-genome study was performed comparing C. acetobu-tylicum with six other chosen microorganisms and a in silico Gram type experiment; The whole-genome analysis detected one major gene, the rpoB gene, implied in acquired antibiotic resistance, and possibly impli-cated in phenotypic variation during ABE fermentation. A possible link between the pH regulation and rpoB expression is suggested. The 16S rRNA analysis consistently showed Gram-positive classification for the C. acetobutylicum strain used, incapable of detecting the existent phenotypic variations.at the metabolic level, two metabolic network models were developed: a simplified, core model, with 20 reactions, and a genome-wide model, comprising 502 reactions; to translate the molecular and biochemical information to a useful engineering level, a phenotypic rela-tion between the Gram stain response and pH developed during batch fermentation was analyzed. The simplified core metabolic network suc-cessfully captured the observed strain metabolic profile. Additional regu-latory mechanism was added to the simplified metabolic model with the integration of pH regulation. Using the Gram staining method, we demon-strated a strong correlation between bacterial growth and morphological changes of the cell wall that is useful in monitoring early detection of the metabolic stages of C. acetobutylicum ABE fermentation. The Gram stain-ing technique is proposed as an efficient, low cost method to identify the physiological state of the bacteria culture and its connection with the fermentation state.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química / Made available in DSpace on 2013-06-25T20:03:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 308796.pdf: 1133004 bytes, checksum: a418b88e92f1d3d8bc5ba0c4b022a9a3 (MD5) / Quando correntes oleosas entram em contato com o meio ambiente prejudicam e influenciam tanto a fauna e a flora, quanto à população no entorno dos lugares contaminados. A procura por tratamentos eficientes, de baixo custo, que demandem pouca energia e provenientes de fontes renováveis fazem com que os bioadsorventes ocupem um lugar de destaque na redução dos contaminantes oleosos. Neste trabalho, utilizou-se o bagaço da cana-de-açúcar como bioadsorvente alternativo no tratamento de águas contaminadas com óleos. O efluente sintético foi simulado através de uma dispersão de água destilada e decahidronaftaleno, com concentração inicial de 8900 mg·L-1. O óleo residual, após os experimentos de adsorção, foi quantificado por cromatografia gasosa. A biomassa foi caracterizada pelas análises de umidade, FTIR, MEV, CHNS e análise superficial. Os experimentos foram desenvolvidos em processo batelada, com agitação de 120 rpm, sendo avaliado o tempo de equilíbrio do processo adsortivo, bem como a influência dos parâmetros pH, temperatura e tamanho das partículas do bioadsorvente. O processo de adsorção resultou na remoção de 80% de óleo em apenas 5 min de contato entre a dispersão e a biomassa. Os parâmetros que influenciaram significativamente a remoção do hidrocarboneto pelo bagaço-de-cana foram a temperatura e o tamanho de partícula do material. Para as condições testadas, o maior desempenho foi obtido a 25oC. O melhor ajuste para a Isoterma de Adsorção foi obtido com o modelo de Langmuir-Freundlich, fornecendo uma capacidade máxima de adsorção de 6,65 g de hidrocarboneto/g de biomassa. Os ensaios mostraram grande potencial do bagaço da cana-de-açúcar ser utilizado como bioadsorvente na redução do teor de óleos e graxas em efluentes aquosos, apresentando-se como uma alternativa sustentável a dois grandes problemas ambientais: o resíduo sólido gerado pelo processo de cultivo e industrialização da cana-de-açúcar e a contaminação de fontes aquosas pela indústria do petróleo e petroquímica. / When oily streams come in contact with the environment, they affect and influence the fauna and flora, as the population surrounding the contaminated places. The search for effective treatments that are low cost, require little energy and are from renewable resources, turn the biosorbents a prominent material in the oily contamination reduction. In this work, we have studied the bagasse from sugarcane as an alternative bioadsorbent in the treatment to oils and greases contaminated waters. The synthetic effluent was simulated by a distilled water and decahydronaphthalene dispersion, with initial concentration of 8900 mg o L -1. The residual oil, after adsorption experiments, was determined by gas chromatography. The biomass was characterized by moisture analysis, FTIR, SEM, CHNS and surface analysis. The experiments were carried out in batch process with agitation of 120 rpm, evaluating the equilibrium time of adsorptive process, as well as the influence of some parameters such as pH, temperature and the particle bioadsorbent size. The adsorption process resulted in removal of 80% of oil in only 5 minutes of contact between the dispersion and biomass. The parameters that significantly influenced the removal of hydrocarbon by bagasse were the temperature and particle size of the bioadsorbent. For the conditions tested, the best performance was obtained at 25oC. The best fit for the adsorption isotherm was obtained with Langmuir-Freundlich model, providing a maximum adsorption capacity of 6.65 g hydrocarbon/g biomass. The experiments showed the great potential of the sugarcane bagasse to be used as bioadsorvente in reducing the oil and grease levels in aqueous effluents, presenting itself as a sustainable alternative to two environmental problems: the solid waste deriving from the cultivation and industrialization of sugarcane and the aqueous sources contamination coming from oil and petrochemical industry.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work has as objective to investigate the production of biosurfactant employing strain of Pseudomonas aeruginosa using as source of carbon residual soybean oil from several foods frying. In the first assay the Pseudomonas aeruginosa were used ATCC 9027, isolated Pseudomonas aeruginosa from Landfarming REDUC (PALR) and a Pseudomonas aeruginosa PACL strain, isolated from a lagoon hydrocarbon-contaminated soil. To evaluate the results of the assay a two levels complete factorial experimental design was used, studying as variables the microorganism strain, the concentrations of residual soybean oil (OSR), the concentrations of nitrate of ammonium (AN) and brewery residual yeast (YRB). The experiments were performed in 500-mL Erlenmeyer flasks containing 50 mL of production medium, at 170 rpm and 30±1ºC, for a 48-hour fermentation period. Biosurfactant production has been monitored by measurements of rhamnose concentration (RM), surface tension (TS) and emulsifying activity (IE). The P. aeruginosa PALR, ATCC 9027 and the PALC were capable to reduce the superficial tension of the initial medium of 61± 1dynes/cm for 33,9; 28 e 26 dynes/cm, to produce g/L 0,25; 0,77 e 1,39 of rhamnose, with emulsification index of 60, 100 and 100%, respectively. The results obtained by experimental design proved that isolated Pseudomonas aeruginosa PALC presented potential greater to produce biossurfactante, being, therefore, selected for the other experiments carried out in at study. The optimization of OSR, AN, and RBY was accomplished by a central composite design (CCD) and their results analyzed by surface response analysis. The best planned results, was located on the central point, have corresponded to 22 g/L of RSO, 5.625 g/L of AN, and 11.5 g/L of RBY. The greater obtained concentration of rhamnose after 48 hours of fermentation, was 2,3 g/L with emulsifying activity of 100%. Employed the best result obtained in PCC, was determined, using a bioreactor, the best conditions of aeration rate (vvm) and agitation speed (rpm) using a complete factorial experimental design. In the optimized conditions, of 0,5 vvm (KLa of 10,2 h-1) and speed of agitation of 550 rpm, were obtained the superficial tension of 26,0 dyne/cm and synthesis of rhamnose of 3,26 g/L. Under the optimized conditions, the biosurfactant production from a mixture of waste frying soybean oil was compared with non used soybean oil (NUSO) and waste soybean oils used to fry in separate meats (MFSO), salty (SAFSO), and potatoes (POFSO). Finally was made a kinetic study, seeking to determine a model to represent the experimental data of rhamnose production and the nutrients consumption. After recovery and purification of the biosurfactant the rhamnose concentration increased in 80% in the final product, that is, 6,8 g/L. / Este trabalho tem como objetivo investigar a produção de biossurfactante empregando culturas de Pseudomonas aeruginosa utilizando como fonte de carbono óleos de soja residual proveniente da fritura de diversos alimentos. Nos primeiros ensaios foram empregados a Pseudomonas aeruginosa ATCC 9027, Pseudomonas aeruginosa isolada do Landfarming REDUC (PALR) e a Pseudomonas aeruginosa PALC, isolada de solo de uma lagoa contaminada com hidrocarbonetos. Para selecionar a Pseudomonas e avaliar os resultados dos ensaios foi utilizado um planejamento fatorial a dois níveis, estudando como variáveis a linhagem de microrganismo, as concentrações de óleo de soja residual (OSR), de nitrato de amônio (NA) e de levedura cervejeira residual (LCR). Os experimentos foram realizados em Erlenmeyers de 500 mL de capacidade contendo 50 mL do meio de produção, a 170 rpm e temperatura de 30 ± 1ºC durante 48 h de fermentação. A produção de biossurfactante foi monitorada pelas determinações da tensão superficial (TS), da concentração de raminose (RM) produzida e da atividade emulsificante (IE). As P. aeruginosa PALR, ATCC 9027 e a PALC foram capazes de reduzir a tensão superficial do meio de 62 dina/cm ± 1 para 33,9; 28 e 26 dina/cm, produzir em g/L 0,25; 0,77 e 1,39 de raminose, com índice de emulsão de 60, 100 e 100%, respectivamente. Os resultados obtidos nestes planejamentos experimentais demonstraram que a Pseudomonas aeruginosa isolada PALC apresentou maior potencial para produzir biossurfactante, sendo, portanto, selecionada para os demais experimentos realizados neste estudo. A otimização das concentrações do OSR, NA e da LCR foram obtidas a partir de um planejamento de experimento composto central (PCC) e seus resultados analisados pelas superfícies de resposta. Os melhores resultados do planejamento foram encontrados no ponto central, correspondendo a 22 g/L de OSR, 5,625 g/L de NA e 11,5 g/L de LCR. A maior concentração obtida de raminose após 48 horas de fermentação, foi 2,3 g/L com índice de emulsão de 100%. A partir do melhor resultado obtido no PCC, determinou-se, utilizando um bioreator, as melhores condições de taxa de aeração (vvm) e velocidade de agitação (rpm) empregando um planejamento fatorial completo. Nas condições otimizadas, de 0,5 vvm (KLa de 10,2 h-1) e velocidade de agitação de 550 rpm, foram obtidos a tensão superficial de 26,0 dina/cm e síntese de raminose de 3,26 g/L. A partir das condições otimizadas, a produção de biossurfactante proveniente da mistura de óleo de soja residual foi comparada com óleo de soja in natura (OSN) e óleo de soja residual usado na fritura em separado de carnes (OSRC), salgados (OSRS) e batatas (OSRB). Finalmente foi feito um estudo cinético, visando determinar um modelo que representasse os dados experimentais de produção de raminose e de consumo de nutrientes. Após recuperação e purificação do biossurfactante a concentração de raminose aumentou em 80% no produto final, ou seja, 6,8 g/L. / Doutor em Engenharia Química