Thesis (Ph.D.); Submitted to Iowa State Univ., Ames, IA (US); 12 Dec 2003. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "IS-T 2111" Bora Mavis. 12/12/2003. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Submitted by Marilene Donadel (marilene.donadel@unioeste.br) on 2018-11-05T20:12:01Z No. of bitstreams: 1 Fernanda_Tavares_2018.pdf: 3497938 bytes, checksum: 33976a24dbef1bda196a346bd634eade (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-05T20:12:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fernanda_Tavares_2018.pdf: 3497938 bytes, checksum: 33976a24dbef1bda196a346bd634eade (MD5) Previous issue date: 2018-05-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Lipases are a class of enzymes responsible for breaking down the ester bonds of triglycerides; they can derivate from microbial, animal or vegetal origin, the last ones can be found mainly from the germination processes of oilseeds. Castor bean seeds have the advantage of having lipases in its composition even in non-germinated state. In this sense, the present work aims to evaluate the use of castor bean as a source of lipase in the hydrolysis of triglycerides to obtain free fatty acids, employing sonication and orbital agitation system, investigating the use of in natura seeds and seeds after oil extraction process, to enable its commercial use. In addition, the crambe oil is employed, an oil that is rich in monosaturated free fatty acids, easy obtainment and it is has no use in the food chain. Using CCRD experimental designs an optimum point was found for in natura seeds in the condition of temperature of 33 °C, 0.87 buffer/oil (m/m) and 0.31 catalyst/substrate (m/m) reaching a yield of 91% after 4 hours of reaction; for the incubated seeds the optimum condition was in the temperature of 43.8 °C, 1.8 buffer/oil (m/m) and 0.07 catalyst/substrate (m/m) in which approximately 88% yield was achieved after 4 hours of reaction. In order to optimize the reaction conditions, the use of ultrasound in the enzymatic hydrolysis was evaluated, as optimal conditions were approximately 70% of ultrasound power, 1.79 buffer/oil (m/m), 0.25 catalyst/substrate (m/m) for the in natura seeds, achieving approximately 86% of yield after 5 minutes of ultrasonic reaction and 91% after more 30 minutes of reaction with mechanical stirring and for incubated seeds approximately 68% of ultrasound power, 1.67 buffer/oil (m/m), 0.06 catalyst/substrate (m/m), reaching 73% of yield after 5 minutes of ultrasonic reaction and 77% after more 30 minutes of reaction with mechanical stirring. The best yield, therefore, was verified when in natura seeds were employed; these seeds don’t go through any preparation process and have emulsifying components that can help in the triglycerides hydrolysis. Besides that, a mathematical model was proposed and it was satisfactory to predict the experimental data of crambe oil enzymatic hydrolysis when in natura and incubated seeds were employed in mechanical-orbital agitation reactions and with ultrasonic emulsification. In this sense, the contribution of the present work is to give a better understanding for the enzymatic hydrolysis of triglycerides with the utilization of vegetal lipases from castor seeds, and employing an oil that has not been yet well studied and utilized. / Lipases são uma classe de enzimas responsáveis pela quebra de ligações éster de triglicerídeos e podem ser de origem microbiana, animal ou vegetal, sendo que as ultimas podem ser encontradas principalmente a partir do processo de germinação de sementes oleaginosas. As sementes da mamona possuem a vantagem de conterem lipase em sua composição mesmo em fase não germinativa. Dessa forma, o presente trabalho tem como objetivo avaliar o uso da semente de mamona como fonte de lipase na hidrólise de triglicerídeos para obtenção de ácidos graxos livres empregando ultrassom e sistema de agitação orbital, investigando o uso das sementes in natura e sementes após o processo de extração de óleo, para viabilizar seu uso comercial. Além disso, busca-se empregar o óleo de crambe, um óleo rico em ácidos graxos monoinsaturados, de fácil obtenção e que não é usado na cadeia alimentar. Empregando planejamentos experimentais DCCR verificou-se ponto ótimo para sementes in natura na condição de 33°C de temperatura, 0,87 solução tampão/óleo (m/m) e 0,31 catalisador/substrato (m/m) no qual atingiu-se 91% de rendimento após 4 horas de reação; para as sementes incubadas o ponto ótimo foi nas condições de 43,8°C de temperatura, 1,8 solução tampão/óleo (m/m) e 0,07 catalisador/substrato (m/m) no qual atingiu-se aproximadamente 88% de rendimento após 4 horas de reação. Visando otimizar as condições reacionais, foi avaliado o uso de ultrassom na hidrólise enzimática, as condições ótimas foram de aproximadamente 70% de potência do ultrassom, 1,79 tampão/óleo (m/m), 0,25 catalisador/substrato (m/m) para as sementes in natura, atingindo se aproximadamente 86% de rendimento após 5 minutos de reação em ultrassom e 91% após mais 30 minutos de reação com agitação mecânica-orbital e para as sementes incubadas aproximadamente 68% de potência do ultrassom, 1,67 tampão/óleo (m/m), 0,06 catalisador/substrato (m/m), atingindo se aproximadamente 73% de rendimento após 5 minutos de reação em ultrassom e 77% após mais 30 minutos de reação com agitação mecânica. Verificou-se, portanto, um melhor rendimento com a utilização das sementes in natura, que não passam por nenhum processo de preparo, e possuem componentes emulsificantes que auxiliam na hidrólise de triglicerídeos. Além disso, um modelo matemático foi proposto e foi satisfatório para predição dos dados experimentais das hidrólises enzimáticas do óleo de crambe empregando sementes in natura e incubadas em reações com agitação mecânica-orbital e em ultrassom. Dessa forma, o presente trabalho contribui de forma a melhorar o entendimento do mecanismo da reação de hidrólise enzimática de triglicerídeos com utilização de lipases vegetais a partir da semente de mamona, empregando um óleo ainda pouco utilizado e estudado, o crambe.

Für eine effiziente und nachhaltige Nutzung von Georeservoiren sind bestmögliche Reservoirmanagementverfahren erforderlich. Oft setzen diese Verfahren auf Tracer-Tests. Dabei enthalten die aufgezeichneten Tracersignale integrale Informationen der Reservoireigenschaften. Tracer-Tests bieten somit eine leistungsfähige Technik zur Charakterisierung und Überwachung der bewirtschafteten Georeservoire. Im Gegensatz zu Tracer-Tests mit konservativen Tracern, welche bereits etablierte Testroutinen zur Verfügung stellen, ist die Verwendung von reaktiven Tracern ein neuer Ansatz. Aufgrund unpassender physikalisch-chemischer Modelle und/oder falschen Annahmen ist die Analyse und Interpretation von reaktiven Tracersignalen jedoch oft verzerrt, fehlinterpretiert oder sogar unmöglich. Reaktive Tracer sind dennoch unersetzbar, da sie durch die gezielte Ausnutzung selektiver und spezifischer Reaktionen mögliche Metriken von Reservoirtestverfahren auf einzigartige Weise erweitern. So liefern reaktive Tracer für ein integriertes Reservoirmanagement geforderten Aussagen über Reservoirmetriken wie z.B. Wärmeaustauschflächen oder in-situ Temperaturen. Um Unsicherheiten bei der Auswertung von Tracerexperimenten zu reduzieren, werden theoretische und experimentelle Untersuchungen zu hydrolysierenden Tracern vorgestellt. Diese Tracer sind durch ihre Reaktion mit Wasser charakterisiert. Einerseits können sie als thermo-sensitive Tracer Informationen über Temperaturen und abgekühlte Anteile eines beprobten Reservoirs liefern. Für die Interpretation von thermo-sensitiven Tracerexperimenten sind die Kenntnis der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen sowie bekannte Arrhenius-Parameter Voraussetzung, um die verwendete Reaktion pseudo erster Ordnung nutzen zu können. Darüber hinaus ermöglichen die verwendeten Verbindungen durch ihre Fluoreszenzeigenschaften eine Online-Messung. Um die Empfindlichkeit und praktischen Grenzen thermo-sensitiver Tracer zu untersuchen, wurden kontrollierte Laborexperimente in einem eigens dafür entwickelten Versuchsaufbau durchgeführt. Dieser besteht aus zwei seriell geschalteten Säulen, die beide mit Sand gefüllt sind und jeweils auf eine eigene Temperatur eingestellt werden können. Somit ist es möglich, verschiedene thermische Einstellungen zu betrachten. Die untersuchten experimentellen Szenarien imitieren größtenteils Feldanwendungen: Durchflussexperimente sowie auch Experimente mit einer Umkehr der Fließrichtung. Darüber hinaus wurde untersucht, ob thermo-sensitive Tracer auch sensitiv gegenüber der Position der Temperaturfront sind. Dabei wurden die Tracer kontinuierlich oder gepulst injiziert. Die Ergebnisse bestätigen die zugrunde liegende Theorie experimentell. Wenn die pH-Abhängigkeit der Hydrolyse bei der Analyse berücksichtigt wird, kann eine Temperaturschätzung mit einer Genauigkeit und Präzision von bis zu 1 K erreicht werden. Die Schätzungen sind von Verweilzeit und gemessenen Konzentrationen unabhängig. Weiterhin lässt sich eine Schätzung über den ausgekühlten Anteil des Systems erhalten. Durch die steuerbaren und definierten Laborbedingungen ist es erstmals möglich, die geforderte Anwendbarkeit von thermo-sensitiven Tracern belastbar nachzuweisen. Des Weiteren wird eine zweite Anwendung hydrolysierender Tracer vorgeschlagen. Beim Lösen von CO2 für „Carbon Capture and Storage“-Anwendungen hängt die Effizienz maßgeblich von der Grenzfläche zwischen CO2 und der Sole in tiefen Reservoiren ab. Somit ist diese Metrik wichtig, um die Effizienz der CO2 Auflösung in Wasser zu bewerten. Die gezielt entwickelten Kinetic-Interface-Senitive-Tracer (KIS-Tracer) nutzen, zusätzlich zur Hydrolyse an der Grenzfläche, die unterschiedlichen Lösungseigenschaften von Tracer und Reaktionsprodukt im entsprechenden Fluid. Somit lassen sich potentiell Aussagen über die Dynamik der Grenzfläche machen. Neben dem grundlegenden Konzept sowie den theoretischen Tracer-Anforderungen wird eine erste Anwendung im Laborexperiment vorgestellt. Diese zeigt das erfolgreiche, zielorientierte Moleküldesign und bietet eine experimentelle Basis für ein makroskopisches numerisches Modell, mit welchem numerische Simulationen verschiedener Testszenarien durchgeführt werden, um das Zusammenspiel von KIS-Tracer und dynamischer Grenzfläche zu untersuchen. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit hydrolysierender Tracer werden in der Regel auch thermische Signale aufgezeichnet. Der letzte Teil prüft die Möglichkeit, Informationen aus den aufgezeichneten Temperaturen zu extrahieren. Für ein idealisiertes Einzelkluftsystem wird eine Reihe von analytischen Lösungen diskutiert. Aus thermischen Injektion-/Entzugsversuchen können damit räumliche und zeitliche Profile abgeleitet werden. Mit der Verwendung von mathematisch effizienten Inversionsverfahren wie der iterativen Laplace-Transformation lassen sich rechentechnisch effiziente Realraum-Lösungen ableiten. Durch die Einführung von drei dimensionslosen Kennzahlen können die berechneten Temperaturprofile auf Bruchbreite oder Wärmetransportrate, wechselnde Injektions-/ Pumpraten und/oder auf in der Nähe beobachtbare räumliche Informationen analysiert werden. Schließlich werden analytische Lösungen als Kernel-Funktionen für nichtlineare Optimierungsalgorithmen vorgestellt. Zusammenfassend bearbeitet die vorliegende Arbeit den Übergang zwischen Tracerauswahl und Traceranwendung. Die Ergebnisse helfen Planungs- und Analyseunsicherheiten zu reduzieren. Dies wird bezüglich der Empfindlichkeit gegenüber Temperaturen, Kühlungsanteilen, flüssig/flüssig-Grenzfläche, Kluftbreite und Wärmetransportrate gezeigt. Somit bieten die vorgestellten Tracerkonzepte neue Metriken zur Verbesserung von Reservoirmanagementverfahren. Die experimentellen Ergebnisse und die neuen analytischen Modelle ermöglichen einen tiefen Einblick in die kollektive Rolle der Parameter, welche die Hydrolyse und den Wärmetransport in Georeservoiren kontrollieren.