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O objetivo do presente trabalho foi realizar estudos acerca da degradação anaeróbia de proteínas no tocante à cinética de consumo de substrato e às rotas metabólicas presentes no processo. Inicialmente, realizou-se um estudo comparativo da degradação de efluentes sintéticos em reatores anaeróbios horizontais de leito fixo (RAHLFs) em escala de bancada. Nesse intuito, foi proposto um modelo cinética de primeira ordem de reações em série e paralelo, que permitiu a estimativa dos parâmetros cinéticos das várias etapas do processo estudado. As fontes de carbono nos efluentes sintéticos foram primeiramente compostas por compostos protéicos, tendo sido posteriormente adicionadas fontes de carboidratos e lipídeos à sua composição. Nesse intuito, utilizaram-se duas proteínas, caseína e soro albumina bovina (S.A.B.), e um hidrolisado protéico, peptona. Os resultados preditos pelo modelo cinético proposto apresentaram boa correlação com os dados experimentais e, com isso, foi possível o entendimento dos vários aspectos envolvidos na degradação de compostos protéicos em reatores que apresentam regime de escoamento predominantemente pistonado. A peptona foi mais rapidamente consumida, seguida pela caseína e finalmente pela S.A.B.. A presença de lipídeos nos efluentes sintéticos utilizados se constituiu no maior problema para o processo estudado. Análises de microscopia e biologia molecular mostraram que houve realocação da biomassa nos RAHLFs à medida que foram adicionadas fontes alternativas de carbono aos efluentes sintéticos à base de proteína. As morfologias encontradas foram comuns em todos os ensaios realizados, tendo predominado as semelhantes a Methanosaeta sp., bacilos fluorescentes e não fluorescentes, bacilos curvos e cocos não fluorescentes. Também foram visualizados três tipos de filamentos, espiroquetas e morfologias semelhantes a Methanosarcina sp. A segunda etapa do presente trabalho foi o estudo comparativo do processo de degradação de água residuária proveniente de abatedouro de aves em dois reatores um UASB e um RAHLF. O modelo cinético de primeira ordem se ajustou bem aos dados de decaimento de matéria orgânica em ambos os reatores. Dessa forma, foi possível concluir que no reator UASB, o mecanismo de adsorção do material colóide e solúvel nos grânulos parece ter regulado o processo, resultando em maior velocidade de remoção dessas frações de matéria orgânica. No RAHLF, o que parece ter regulado o processo foi a retenção de sólidos orgânicos, aumentando, dessa forma, a velocidade de remoção dessa fração de matéria orgânica. / This work reports on the anaerobic degradation of proteins from the standpoint of substrate consumption kinetics and metabolic routes. Initially, a comparative study of synthetic effluents in a bench scale horizontal-flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) reactor was carried out. For this purpose, a kinetic model of irreversible first-order series-parallel reactions with two intermediate products was proposed. This allowed the estimative the kinetic parameters of several steps of the process. The carbon source in the synthetic effluents was composed primarily of casein, peptone and bovine serum albumin (B.S.A.). Then, sources of carbohydrate and lipid were added to the composition. The proposed model fitted the experimental protein degradation data well and allowed the best comprehension of the process. Thus it was possible to understand several aspects about the degradation of the protein substrates utilized in HAIB reactors. In relation to degradation rate, it was concluded that peptone was the most rapidly consumed, followed by casein, and finally BSA. Regarding substrate composition, the major problem for the studied process was the presence of lipids in the synthetics effluents. The results obtained from the microbiological analysis showed that relocation of biomass in the HAIBs reactors happened in correlation with the addition of alternative carbon sources to synthetic protein effluents. In all assays, common morphologies were found. These werepredominantly Methanosaeta sp. - like archaeas, fluorescent bacillus (three types), non-fluorescent bacillus (6 types), curved bacillus and non-fluorescent coccus. Three types of filaments, spirochetes and Methanosarcina sp. - like archaeas were also found. In a second phase, a comparative analysis of the degradation process of wastewater from a poultry slaughterhouse was carried out in two different reactors, one up flow anaerobic sludge blacked (UASB), and one HAIB. The first order kinetic model proposed fitted the experimental organic matter degradation data well in UASB and HAIB reactors treating residual water from avian abattoirs. In the UASB reactor, the adsorption mechanism of the granules for colloid and soluble material seems to regulate the process. This results in a higher rate of removal for these fractions of organic material. However, in the HAIB reactor, what seems to be controlling the process was the retention of organic solids, which increased the removal rate for this fraction of organic material.

O uso de reatores de biomassa imobilizada para tratamento de esgoto tem se difundido devido a sua capacidade de manter o tempo de retenção celular (TRC) elevado, mesmo quando operados com baixo tempo de detenção hidráulica (TDH). Neste trabalho, investigou-se o desempenho de dois reatores anaeróbios horizontais de leito fixo (RAHLF) em escala de bancada, usados no tratamento do efluente de uma indústria de refrigerantes, sendo um dos reatores preenchido com grânulos e o outro com espuma de poliuretano. A pesquisa foi dividida em três etapas, referentes aos tempos de detenção hidráulica (TDH) de, respectivamente, 20 h, 10 h e 5 h. O encerramento de cada etapa ocorria quando se verificava a estabilidade operacional do sistema através dos parâmetros: DQO, ácidos voláteis totais e pH. Ao final de cada etapa, foram obtidos os perfis de concentração de DQO ao longo dos reatores. Para TDH de 10 h, os valores obtidos para a constante cinética aparente (klapp) foram de 0,694 h-1, para o reator com grânulos, e de 0,467 h-1, para o reator preenchido com espuma de poliuretano. No decorrer da pesquisa, os reatores apresentaram alguns problemas operacionais, que aumentaram à medida em que se reduzia o TDH. Avaliou-se, também, o tempo de residência real do reator com espumas através de experimentos hidrodinâmicos (traçadores). Ao final do experimento, foram quantificados os sólidos voláteis em cada reator e buscou-se diferenciar o arranjo e a fauna microbiológica, presentes nos dois tipos de imobilização, através de microscopia eletrônica de varredura (MEV). / Immobilized biomass reactors have been increasingly used for wastewater treatment due to their capacity of maintaining high cellular retention time (CRT) even when operating at low hydraulic detention time (HDT). In this work, the performances of two horizontal-flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) bench-scale reactors treating soft drinks industry effluents were investigated and compared. One of the reactors was filled with granules and the other one with polyurethane foam matrices. The research was conducted in three stages, concerning to hydraulic detention times of, respectively, 20 h, 10 h and 5 h. A stage was considered finished when reactors operational stability was checked by means of COD, total volatile fatty acids and pH. COD profiles were obtained along the reactors at the end of each stage. In the second stage, when HDT was equal to 10 h, the apparent kinetic constant (klapp) values were 0.694 h-1, to the reactor filled with grains, and 0.467 h-1, to the other one. During the research, the reactors showed some operational problems, that increased when the HDT was reduced. The real hydraulic detention time (HDT) reactor with polyurethane foams was evaluated through the hydrodynamic experiments (tracers). Volatile solids of each reactor were quantified at the end of experiment. The arrangement and microbiological fauna inside the reactors were determined by Scanning Electron Microscopy (SEM).

O uso de reatores de biomassa imobilizada para tratamento de esgoto tem se difundido devido a sua capacidade de manter o tempo de retenção celular (TRC) elevado, mesmo quando operados com baixo tempo de detenção hidráulica (TDH). Neste trabalho, investigou-se o desempenho de dois reatores anaeróbios horizontais de leito fixo (RAHLF) em escala de bancada, usados no tratamento do efluente de uma indústria de refrigerantes, sendo um dos reatores preenchido com grânulos e o outro com espuma de poliuretano. A pesquisa foi dividida em três etapas, referentes aos tempos de detenção hidráulica (TDH) de, respectivamente, 20 h, 10 h e 5 h. O encerramento de cada etapa ocorria quando se verificava a estabilidade operacional do sistema através dos parâmetros: DQO, ácidos voláteis totais e pH. Ao final de cada etapa, foram obtidos os perfis de concentração de DQO ao longo dos reatores. Para TDH de 10 h, os valores obtidos para a constante cinética aparente (klapp) foram de 0,694 h-1, para o reator com grânulos, e de 0,467 h-1, para o reator preenchido com espuma de poliuretano. No decorrer da pesquisa, os reatores apresentaram alguns problemas operacionais, que aumentaram à medida em que se reduzia o TDH. Avaliou-se, também, o tempo de residência real do reator com espumas através de experimentos hidrodinâmicos (traçadores). Ao final do experimento, foram quantificados os sólidos voláteis em cada reator e buscou-se diferenciar o arranjo e a fauna microbiológica, presentes nos dois tipos de imobilização, através de microscopia eletrônica de varredura (MEV). / Immobilized biomass reactors have been increasingly used for wastewater treatment due to their capacity of maintaining high cellular retention time (CRT) even when operating at low hydraulic detention time (HDT). In this work, the performances of two horizontal-flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) bench-scale reactors treating soft drinks industry effluents were investigated and compared. One of the reactors was filled with granules and the other one with polyurethane foam matrices. The research was conducted in three stages, concerning to hydraulic detention times of, respectively, 20 h, 10 h and 5 h. A stage was considered finished when reactors operational stability was checked by means of COD, total volatile fatty acids and pH. COD profiles were obtained along the reactors at the end of each stage. In the second stage, when HDT was equal to 10 h, the apparent kinetic constant (klapp) values were 0.694 h-1, to the reactor filled with grains, and 0.467 h-1, to the other one. During the research, the reactors showed some operational problems, that increased when the HDT was reduced. The real hydraulic detention time (HDT) reactor with polyurethane foams was evaluated through the hydrodynamic experiments (tracers). Volatile solids of each reactor were quantified at the end of experiment. The arrangement and microbiological fauna inside the reactors were determined by Scanning Electron Microscopy (SEM).

O objetivo do presente trabalho foi realizar estudos acerca da degradação anaeróbia de proteínas no tocante à cinética de consumo de substrato e às rotas metabólicas presentes no processo. Inicialmente, realizou-se um estudo comparativo da degradação de efluentes sintéticos em reatores anaeróbios horizontais de leito fixo (RAHLFs) em escala de bancada. Nesse intuito, foi proposto um modelo cinética de primeira ordem de reações em série e paralelo, que permitiu a estimativa dos parâmetros cinéticos das várias etapas do processo estudado. As fontes de carbono nos efluentes sintéticos foram primeiramente compostas por compostos protéicos, tendo sido posteriormente adicionadas fontes de carboidratos e lipídeos à sua composição. Nesse intuito, utilizaram-se duas proteínas, caseína e soro albumina bovina (S.A.B.), e um hidrolisado protéico, peptona. Os resultados preditos pelo modelo cinético proposto apresentaram boa correlação com os dados experimentais e, com isso, foi possível o entendimento dos vários aspectos envolvidos na degradação de compostos protéicos em reatores que apresentam regime de escoamento predominantemente pistonado. A peptona foi mais rapidamente consumida, seguida pela caseína e finalmente pela S.A.B.. A presença de lipídeos nos efluentes sintéticos utilizados se constituiu no maior problema para o processo estudado. Análises de microscopia e biologia molecular mostraram que houve realocação da biomassa nos RAHLFs à medida que foram adicionadas fontes alternativas de carbono aos efluentes sintéticos à base de proteína. As morfologias encontradas foram comuns em todos os ensaios realizados, tendo predominado as semelhantes a Methanosaeta sp., bacilos fluorescentes e não fluorescentes, bacilos curvos e cocos não fluorescentes. Também foram visualizados três tipos de filamentos, espiroquetas e morfologias semelhantes a Methanosarcina sp. A segunda etapa do presente trabalho foi o estudo comparativo do processo de degradação de água residuária proveniente de abatedouro de aves em dois reatores um UASB e um RAHLF. O modelo cinético de primeira ordem se ajustou bem aos dados de decaimento de matéria orgânica em ambos os reatores. Dessa forma, foi possível concluir que no reator UASB, o mecanismo de adsorção do material colóide e solúvel nos grânulos parece ter regulado o processo, resultando em maior velocidade de remoção dessas frações de matéria orgânica. No RAHLF, o que parece ter regulado o processo foi a retenção de sólidos orgânicos, aumentando, dessa forma, a velocidade de remoção dessa fração de matéria orgânica. / This work reports on the anaerobic degradation of proteins from the standpoint of substrate consumption kinetics and metabolic routes. Initially, a comparative study of synthetic effluents in a bench scale horizontal-flow anaerobic immobilized biomass (HAIB) reactor was carried out. For this purpose, a kinetic model of irreversible first-order series-parallel reactions with two intermediate products was proposed. This allowed the estimative the kinetic parameters of several steps of the process. The carbon source in the synthetic effluents was composed primarily of casein, peptone and bovine serum albumin (B.S.A.). Then, sources of carbohydrate and lipid were added to the composition. The proposed model fitted the experimental protein degradation data well and allowed the best comprehension of the process. Thus it was possible to understand several aspects about the degradation of the protein substrates utilized in HAIB reactors. In relation to degradation rate, it was concluded that peptone was the most rapidly consumed, followed by casein, and finally BSA. Regarding substrate composition, the major problem for the studied process was the presence of lipids in the synthetics effluents. The results obtained from the microbiological analysis showed that relocation of biomass in the HAIBs reactors happened in correlation with the addition of alternative carbon sources to synthetic protein effluents. In all assays, common morphologies were found. These werepredominantly Methanosaeta sp. - like archaeas, fluorescent bacillus (three types), non-fluorescent bacillus (6 types), curved bacillus and non-fluorescent coccus. Three types of filaments, spirochetes and Methanosarcina sp. - like archaeas were also found. In a second phase, a comparative analysis of the degradation process of wastewater from a poultry slaughterhouse was carried out in two different reactors, one up flow anaerobic sludge blacked (UASB), and one HAIB. The first order kinetic model proposed fitted the experimental organic matter degradation data well in UASB and HAIB reactors treating residual water from avian abattoirs. In the UASB reactor, the adsorption mechanism of the granules for colloid and soluble material seems to regulate the process. This results in a higher rate of removal for these fractions of organic material. However, in the HAIB reactor, what seems to be controlling the process was the retention of organic solids, which increased the removal rate for this fraction of organic material.

Neste trabalho, foram realizados estudos sobre a modelagem e simulação do núcleo morto em partículas catalíticas contendo enzimas imobilizadas. Tais estudos envolveram a resolução de problemas de valor de contorno gerados pela modelagem dos fenômenos de difusão-reação no interior da partícula. Os principais parâmetros que determinam a ocorrência do núcleo morto foram investigados e os perfis de concentração de substrato e produto, bem como a posição do núcleo morto para a cinética de Michaelis-Menten e outras, foram calculados para catalisadores com geometrias clássicas de placa plana infinita, cilindro infinito e esfera. Para este fim, os seguintes métodos numéricos foram utilizados: shooting, colocação ortogonal global e colocação ortogonal em elementos finitos. Entre os métodos avaliados, o método da colocação ortogonal em elementos finitos foi o único capaz de representar os perfis de concentração de substrato e de produto, e os valores do fator de efetividade obtidos com as soluções analíticas para cinéticas de ordem zero e de primeira ordem, as quais foram usadas como referência. Assim, este método foi empregado para resolver os problemas de valor de contorno envolvendo as cinéticas de Michaelis-Menten e aquelas com inibição competitiva, não competitiva e acompetitiva por produto, e com inibição acompetitiva por substrato, sendo os resultados obtidos consistentes para todas as cinéticas analisadas. A metodologia proposta foi então usada para estudos de projeto e operação de reatores enzimáticos contínuos de mistura perfeita e de fluxo pistonado, sendo que os resultados obtidos foram coerentes. Assim, a metodologia apresentada neste trabalho pode ser avaliada em condições reais de projeto e operação de reatores enzimáticos heterogêneos contínuos. / This work dealt with studies on the modeling and simulation of the dead core in porous catalytic particles containing immobilized enzymes. Such studies involved the solution of boundaryvalue problems generated by the modeling of the diffusion-reaction phenomena inside the particle. The main parameters that determine the occurrence of dead core were investigated and the concentration profiles of substrate and product, as well as the position of the dead core for Michaelis-Menten\'s and other kinetics in catalysts with classical geometries of infinite slab, infinite cylinder and sphere were calculated. For this purpose, the following numerical methods were used: shooting, global-orthogonal-collocation and orthogonal-collocation in finite elements. Among these methods, only the orthogonal-collocation in finite elements simulated all substrate and product-concentration profiles and the effectiveness-factor values obtained with the analytical solutions for zero and first-order kinetics, which were used as reference. Therefore, this method was employed to solve the problems including the Michaelis-Menten kinetics, the competitive-, non-competitive- and acompetitive-product-inhibition kinetics, and the acompetitive-substrate-inhibition kinetics. The results obtained for all kinetics analyzed were consistent. Thus, the proposed methodology was used for studies on the design and operation of both continuous-stirred-tank and plug-flow reactors, and the results obtained were coherent. Thus, the methodology presented in this work can be evaluated under real conditions of design and operation of continuous heterogeneous enzymatic reactors.

Dentro do escopo de estudo de aspectos fundamentais e tecnológicos, este trabalho foi direcionado à avaliação do comportamento da estabilidade e da eficiência de um reator anaeróbio contendo biomassa imobilizada em espuma de poliuretano para o tratamento de água residuária sintética com concentração de aproximadamente 500 mgDQO/L. O reator, de 6 litros de volume nominal, mantido à temperatura de 30 +/- 1ºC e sob a agitação mecânica de 500 rpm, foi operado em bateladas seqüenciais com a renovação de apenas parte do volume de água residuária tratada por ciclo, ou seja, a descarga do reator não foi completa, mas apenas parcial. Neste contexto, a principal característica operacional investigada foi a relação entre o volume de água residuária afluente, o qual era alimentado a cada novo ciclo de operação, e o volume de meio contido no reator, o qual não era descarregado no ciclo anterior, mantendo-se a mesma carga orgânica volumétrica. Desta forma, foi possível verificar a flexibilidade operacional do sistema com relação ao volume de água residuária tratada a cada ciclo e o tempo de duração do ciclo para uma mesma carga orgânica. Os resultados indicaram que o reator pôde operar com diferentes relações entre o volume alimentado e o volume de meio reacional sem diminuição significativa do seu desempenho, permitindo-se, assim, maior flexibilidade operacional. Para as condições em que o volume renovado foi maior ou igual a 50% do volume de meio do reator (ciclos de 4 a 8 horas), as eficiências de remoção de matéria orgânica filtrada e não filtrada mantiveram-se no patamar de 84 e 79%, respectivamente, enquanto que nas demais condições de maior diluição inicial do afluente (ciclos de 1 e 2 horas), essas eficiências foram ligeiramente menores, em torno de 80 e 74%, respectivamente. A alta velocidade de formação de material viscoso de aparência polimérica, nas condições de maior diluição inicial do afluente, dificultou a manutenção do volume de meio reacional do reator constante. / An assessment was performed on the stability and efficiency of an anaerobic reactor containing biomass immobilized on polyurethane foam for the treatment of synthetic wastewater with organic loading of approximately 500 mgCOD/L. The reactor had a total volume of 6 L. Batch operation took place at a temperature of 30 +/- 1ºC and an agitation rate of 500 rpm. During operation only part of the treated wastewater was renewed per cycle, i.e., reactor discharge was not complete, but partial. The main operation characteristic investigated was the ratio between influent wastewater volume, which was fed at each cycle, and the volume of medium contained in the reactor, which had not been discharged in the previous cycle, maintaining the same volumetric organic load. This way, it was possible to verify operation flexibility of the system regarding treated wastewater volume in each cycle as well as cycle time duration for the same volumetric organic loading. Results indicated that the reactor was able to operate at different ratios between feed and reaction medium volume without significant loss in performance, allowing, hence, greater operation flexibility. For conditions at which renewed volume was greater than or equal to 50% of the reactor medium (cycles from 4 to 8 hours), filtered and non-filtered organic matter removal efficiencies were about 84 and 79%, respectively, whereas at conditions of higher initial influent dilution (cycles from 1 to 2 hours) these efficiencies were slightly lower, about 80 and 74%, respectively. The high formation rate of viscous polymer-like material probably of microbiological origin, at the conditions of higher initial influent dilution hindered maintenance of constant reactor medium volume.

Este trabalho buscou avaliar o desempenho de um reator de leito fixo e escoamento ascendente, operado de modo contínuo, com argila expandida e espuma de poliuretano como suportes para imobilização da biomassa, no tratamento de água residuária proveniente de abatedouro de aves. Na primeira fase do trabalho, o reator foi operado em condição anaeróbia e anaeróbia-aeróbia, no tratamento da água residuária bruta proveniente do abatedouro. No entanto, sua eficiência na redução de matéria orgânica pode ser atribuída a processos de adsorção e não biodegradação, o que resultou em períodos de operação curtos devido à obstrução do leito reacional. Na segunda fase, o reator foi alimentado com água residuária coletada após o pré-tratamento por sistema de flotação por ar dissolvido (FAD), realizado no próprio abatedouro, com intuito de minimizar a carga lipídica e a concentração de sólidos na entrada do reator. Assim, a vida útil do reator foi prolongada, com eficiências médias de remoção de DQO e nitrogênio total de 90 \'+ OU -\' 4% e 44 \'+ OU -\' 10%, respectivamente, e eficiência de desnitrificação de 89 \'+ OU -\' 6%, para o reator anaeróbio-aeróbio com razão de recirculação do efluente líquido igual a 1,5. Assim, o reator demonstrou bom desempenho na remoção simultânea de matéria orgânica e nutrientes, desde que seja precedido por sistema de pré-tratamento para remoção parcial de sólidos e óleos e graxas. / This work aimed to evaluate the performance of an up-flow fixed bed reactor, operated in a continuous way, using expanded clay and polyurethane foam as supports for immobilization of the biomass, for treatment of poultry slaughterhouse wastewater. Initially, the reactor was operated under anaerobic and anaerobic-aerobic conditions for the treatment of poultry slaughterhouse wastewater. However, the COD removal efficiency was related to adsorption and not to biodegradation processes. In this way, the operational periods were short due to solids retention in the system. In the second part of this work, trying to reduce the lipids and solids concentration in the reactor\'s affluent, the wastewater was collected after a pre-treatment installed at the poultry slaughterhouse. This pre-treatment was constituted of a dissolved air flotation (DAF) system. As a result, the operational longevity of the reactor was increased and the COD and total nitrogen removal efficiencies were 90 \'+ OU -\' 4% and 44 \'+ OU -\' 10% respectively, and the denitrification efficiency was 89 \'+ OU -\' 6% under an anaerobic-aerobic condition with a recycle ratio of the liquid phase of 1,5. Therefore, the reactor showed a good performance in reducing the organic matter and removing nutrients simultaneously, since it is preceded by a pre-treatment for the partial removal of solids, oils and grease.