O presente trabalho teve como objetivo avaliar a influência da intensidade de agitação e tipo de impelidor, bem como a estratégia de alimentação, em reator anaeróbio operado em batelada seqüencial, escala piloto (\'da ordem de\' 1 \'M POT.3\'), com agitação mecânica e em duas configurações: uma com biomassa granulada (ASBR) e outra com biomassa imobilizada em suporte inerte de espuma de poliuretano (ASBBR), aplicadas ao tratamento de esgoto doméstico. No estudo da intensidade de agitação e tipo de impelidor, para cada reator foram avaliadas três tipos de impelidores (turbina de pás planas, turbina de pás inclinadas 45º e hélice) associados a duas intensidades de agitação (40 e 80 rpm), obtendo uma combinação de 6 (seis) condições experimentais. A combinação da intensidade de agitação e tipo de impelidor que apresentou melhor desempenho no processo foi utilizado no estudo da estratégia de alimentação, na qual foi avaliada as seguintes condições: batelada alimentada durante 25%, 50%, 75% e 100% do ciclo. Os resultados obtidos permitiram concluir que: no ASBBR o aumento da intensidade de agitação de 40 rpm para 80 rpm permitiu uma melhoria nos fluxos de transferência de massa e, portanto, aumentou a velocidade de consumo de substrato; no ASBR o aumento da intensidade de agitação de 40 rpm para 80 rpm proporcinou uma desestabilização do sistema, provavelmente por causa da ruptura dos grânulos provocada pela maior agitação; os sistemas operados com impelidor do tipo hélice apresentaram vantagens, tais como: melhor eficiência de remoção de sólidos, maior valor da constante cinética de primeira ordem (melhor fluxo de transferência de massa e conseqüentemente maior consumo de substrato) e maior produção de alcalinidade, ou seja, maior estabilidade para o sistema; tanto o sistema ASBR como o ASBBR quando operados nas condições de batelada típica, batelada alimentada durante 50% e 75% do ciclo apresentaram melhores desempenhos no processo de tratamento, mostrando a flexibilidade operacional dos reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais; e comparando os sistemas ASBBR e ASBR verificou-se que estes apresentaram comportamentos similares em todas as condições de operação de batelada alimentada avaliadas, não sendo possível, estatisticamente apontar um sistema com melhor desempenho. / The objective of this work was to assess the effect of the stirring speed, the type of impeller and the feed strategy in a mechanically stirred pilot-scale (\'da ordem de\' 1 \'M POT.3\') anaerobic sequencing batch reactor to two configurations: a containing granulated biomass (ASBR) and the other containing immobilized biomass (AnSBBR). Domestic wastewater was treated in 8-h cycles. Three impeller types (turbine with six-flat blades, turbine with six 45º-inclined blades and helix with three blades) were assessed at two different stirring speeds (40 and 80 rpm), totaling six experimental conditions. The stirring speed and the impeller that resulted in the best combination was used in work of the feed strategy . The reactors were operated at room temperature at four different feed strategies (fed batch during 25%, 50% and 75% of the cycle, and conventional fed-batch). The results allowed conclude that: in the AnSBBR increasing the stirring speed from 40 rpm to 80 rpm showed to improve mass transfer, with consequent increase in substrate consumption; in the ASBR increasing the stirring speed from 40 rpm to 80 rpm showed desestabilization in system, because of the disruption caused in the granules witth greater agitation; operation with the helix impeller showed some advantages over the turbine impellers, such as: improved efficiency in solids removal, higher value of the first order kinetic constant and higher alkalinity production; both for the ASBR as for the ASBBR the best performance in wastewater treatment was obtained when the reactors were operated at conventional batch, fed-batch during 50% and 75% of the cycle; no significant difference in performance was observed among these three conditions. Despite poor performance of the conventional fed-batch and fed-batch during 25% of the cycle compared to the other conditions, both these conditions presented operational stability. Hence, the anaerobic sequencing batch reactors presented operational flexibility as far as feed strategy is concerned.

Este trabalho teve como objetivo sintetizar o palmitato de isopropila, éster emoliente, empregando como biocatalisador lipases microbianas imobilizadas em partículas de poli(estireno-co-divinilbenzeno) (STY-DVB-M) obtidas por meio da técnica de polimerização em suspensão e magnetizadas por co-precipitação de íons de Fe +2 e Fe +3 em meio básico. Inicialmente, a influência da concentração do agente de suspensão e da agitação na distribuição granulométrica do polímero sintetizado foi avaliada por planejamento experimental 2 2, com triplicata no ponto central. As polimerizações que resultaram nas maiores quantidades de partículas com tamanhos apropriados para utilização como suporte para imobilização (entre 80 e 24 mesh), foram obtidas empregando as seguintes condições experimentais: 1% de agente de suspensão (PVA) e 400 rpm de agitação. O suporte obtido foi utilizado para imobilizar a lipase de Candida rugosa (LCR) e lipase de Penicillium camemberti (LG) via adsorção física e os biocatalisadores resultantes aplicados em reações de esterificação do ácido palmítico com isopropanol em meio heptano. Para cada biocatalisador foi adotado um planejamento experimental estrela rotacional 22, com triplicata no ponto central para avaliar a influência da concentração de biocatalisador (% m/v) e da razão molar (ácido:álcool) no rendimento de esterificação. Nas condições otimizadas em 12 h de reação foram obtidos 75,60 e 88,53% de rendimento de esterificação, respectivamente, para a LCR e LG imobilizada em STY-DVB-M. A quantidade de água formada durante o bioprocesso não foi considerada fator relevante para interferir no progresso da síntese. O biocatalisador obtido pela LG imobilizada em STY-DVB-M foi empregado em biorreator de tanque agitado (280 mL), na condição ótima, em um experimento com ampliação de escala, atingindo 85,68% de rendimento em 12 horas de reação. No entanto, foi observado cisalhamento do suporte em função da agitação mecânica, optando-se pela realização do bioprocesso em biorreator de leito fixo (dimensões: 11 mm de diâmetro interno x 16,6 mm de comprimento) com recirculação do meio reacional (1,5 mL.min-1). A operação do sistema nesta configuração foi impossibilitada pela evaporação e/ou percolação do solvente. Assim, foram realizadas reações em reator de leito fixo em meio isento de solvente nas seguintes razões molares: 1:3, 1:4 e 1:6 (ácido:álcool), cujos melhores resultados foram obtidos na razão molar de 1:4, apresentando 56% de rendimento, 215,88 g.L-1 do palmitato de isopropila e produtividade de 26,87 g.L-1.h-1, decorridas 8h de reação com vazão de reciclo de 1,5 mLmin-1. O emprego de peneira molecular no reservatório do substrato proporcionou um acréscimo de aproximadamente 7% na formação do éster. Essa mesma condição experimental (1:4 em meio isento de solvente) foi testada em reator de tanque agitado, atingindo produtividade de 33,40 g.L-1.h-1 em 8h de reação. No entanto, em função da desvantagem do cisalhamento do suporte constatada neste tipo de biorreator, concluiu-se que o biorreator de leito fixo foi a configuração mais adequada, para a condução do bioprocesso estudado, apresentando viabilidade do processo enzimático empregando lipase imobilizada em suporte híbrido magnetizado para a síntese do palmitato de isopropila. / The aim of this study was to synthesize isopropyl palmitate, an emollient ester, using as biocatalyst microbial lipase immobilized on magnetic copolymer. The support was prepared by suspension polymerization technique using styrene and divinylbenzene monomers in the presence of magnetite particles synthesized by co-precipitation of Fe+2 and Fe+3. The influence of the suspending agent concentration and the mechanical agitation on the granulometric distribution of the synthesized polymer was assessed by a 22 factorial design with triplicate at central point. The statistical analysis indicated that the optimal experimental conditions to obtain the largest amount of particles with suitable size (between 80 and 24 mesh) to be used as immobilizing support were attained at 1% suspending agent (PVA) at 400 rpm stirring. The resulting support was used to immobilize Candida rugosa lipase (LCR) and Penicillium camemberti lipase (LG) by physical adsorption and applied in the esterification reaction of palmitic acid with isopropyl alcohol in presence of solvent (heptane). For each biocatalyst a central composite 22 experimental design with triplicate at central point was performed to determine the influence of biocatalyst concentration (% m/v) and molar ratio (acid: alcohol) on the reaction yield. Under the optimal conditions higher performance was achieved by LG immobilized on STY-DVB-M (88.53%) than LCR immobilized on STYDVB-M (75.60%) with shaking at 12 hours reaction. For both reactions the amount of water formed as byproduct was not found to be a relevant factor that interferes in the synthesis progress. The most activity immobilized biocatalyst (LG STY-DVB-M) was used in agitated tank bioreactor (280 mL), under optimized conditions, in an experiment with scale-up, reaching 85.68% yield in 12 hours. However, it has been observed that the support was low mechanical shear and therefore an attempted was made to run the reaction in a packed bed bioreactor (dimensions: 11 mm internal diameter x 16,6 mm length) with recirculation of the reaction medium (1,5 mL.min-1). The system could not be operated under this configuration because of solvent evaporation and/or percolation. Thereby, the reactions were carried out in packed bed reactor using solvent-free medium under the following molar ratios: 1:3, 1:4 and 1:6 (acid: alcohol). The best performance (56% yield, 215.88 g L-1 of isopropyl palmitate and 26.87 gL-1.h-1 of productivity) was attained running the reactor with substrate at molar ratio of acid to alcohol of 1:4 for 8 hours with recycle rate of 1,5 mL.min-1. The use of a molecular sieve in the substrate reservoir resulted in an increase of approximately 7% of ester formation. By comparison, esterification run under the same experimental condition (1:4 in solvent-free medium) was carried out in a stirred tank reactor and slight higher productivity (33.40 g.L-1.h-1) was achieved. However, due the shear limitation of the support, it was concluded that the most suitable configuration for this bioprocess is the packed bed bioreactor, thereby showing that the enzymatic process is feasible using lipase immobilized on a magnetized hybrid support for isopropyl palmitate synthesis.

A utilização de reatores anaeróbios de fluxo ascendente com manta de lodo no tratamento de águas residuárias tem tido grande aceitação dos projetistas e pesquisadores pelas vantagens que esse sistema apresenta sobre os demais (aeróbios e anaeróbios). Uma das principais limitações do processo relaciona-se com o período de partida, normalmente lento e de difícil controle. Esse trabalho apresenta os resultados de pesquisas em laboratório sobre a partida de dois reatores de manta de lodo, um deles inoculado com lodo anaeróbio imobilizado em matrizes de gel agar e o outro com lodo livre. A imobilização de microrganismos em gel surge como uma nova possibilidade de retenção da população microbiana no reator e consequentemente, esse trabalho objetiva também verificar a viabilidade do uso de lodo imobilizado em qel agar no estudo sobre fatores que afetam o desempenho de reatores com manta de lodo. Os dois reatores anaeróbios utilizados neste trabalho eram idênticos e possuiam volume de 10 L cada um. Utilizou-se substrato sintético para que se obtivesse alimento com características estáveis durante a maior parte do tempo necessário à partida dos reatores, preparados de maneira a se obter DQO de aproximadamente 2000 mg/L. Os reatores estiveram em operação durante 179 dias e foram submetidos a cargas orgânicas volumétricas que variaram de 0,47 a 12,83 KgDQO.m-3.d-1 e a cargas hidráulicas volumétricas que variaram de 0,23 a 6,0 m3.m-3.d-1. As principais análises realizadas foram DQO, alcalinidade, ácidos voláteis, pH, temperatura e altura do leito de lodo. A eficiência de remoção de DQO esteve em geral entre 70 e 80%. Em vista dos resultados obtidos, conclue-se que a utilização de lodo anaeróbio imobilizado em matrizes de gel agar pode ser útil no estudo de partida de reatores anaeróbios com manta de lodo. Sugere-se a continuidade dos estudos, utilizando-se as técnicas descritas no trabalho, na ampliação do conhecimento dos processos anaeróbios neste tipo de reator. / The use of Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Reactor for wastewater treatment has been well accepted by designers and researchers due to the advantages shown over athers reactors (aerobic and anaerobic). The reactor start-up remains as one of the most important limitations of the process. It is usualy slow and is difficult to control. This thesis shows the results of a laboratory research on the start-up of two UASB reactors. One of them was seeded with anaerobic sludge immobilized in gel agar and the other with free anaerobic sludge. The immobilization of microorganisms in gel represents a new possibility of biomass retention within the reactors. Consequently this research also aims to check the viability of using immobilized sludge in gel agar in the study of factors affecting UASB reactors performance. Both the UASB reactors used in this research were exatly alike and had a volume 10 L each. Synthetic substrate was used to provide, consistent feed during the most of the start-up period. The substrate was prepared to contain about 2000 mg/L COD. The reactors were aperated for 179 days and were submitted to organic loading rates which varied from 0,47 to 12,83 KgCOD.m-3.d-1 and to hydraulic loading rates which varied from 0,23 to 6,0 m3.m-3.d-1. The main physical-chemical parameters measured were COD, alkalinity, volatite fatly acids, pH, temperature and sludge bed height. The COD removal efficiency was between 70 and 80%. This research comproved the feasibility of sludge immobilized in gel agar for UASB reactor start-up. It is suggested to continue the studies to achieve the best conditions for the use of this technique.

by Yao Hong-Bing. / "January 2002." / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2002. / Includes bibliographical references (p. 113-135). / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Mode of access: World Wide Web. / Abstracts in English and Chinese.

Submitted by Jean Medeiros (jeanletras@uepb.edu.br) on 2016-03-03T13:09:48Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) PDF - Dayane de Andrade Lima.pdf: 1792563 bytes, checksum: bf31a949af64eea8dcf7052839249da2 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-03T13:09:48Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) PDF - Dayane de Andrade Lima.pdf: 1792563 bytes, checksum: bf31a949af64eea8dcf7052839249da2 (MD5) Previous issue date: 2015-02-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This study aimed to investigate the efficiency of a hybrid anaerobic reactor followed by a reactor with immobilized algae in sewage treatment in the removal of carbonaceous material, nutrients and indicator bacteria of faecal contamination (fecal coliform). It was built in one PVC Hybrid Anaerobic Reactor (HAR), with volume of 52 liters for tratar108 liters. The HAR consisted of an anaerobic upflow sludge blanket (UASB) followed by anaerobic filter (AF) containing polyurethane diced as a means support, fed with domestic sewage. The effluent of this reactor was led to an Immobilized Algae Reactor (IAR) for post-treatment. The Immobilized Algae Reactor (IAR) was constructed of glass with a total volume of 6 liters and operated with characteristics reactor with moving bed biofilm using an aquarium pump to promote the displacement of the liquid. The IAR operated in the first three stages was characterized by low rates of photosynthesis, in the second step was added ammonium sulfate to stimulate nitrification in the third operation phase it was observed increase in photosynthesis rates, with phosphorus precipitation, the ammonia volatilization and decay of fecal coliforms. The physical, chemical and microbiological parameters analyzed gave support the evaluation of removing carbonaceous material, nutrients and indicators of fecal contamination. The hybrid reactor provided considerable organic matter removal efficiency (77%), 60% in UASB and 17% in the anaerobic filter. Showed good removal efficiency of solid being 21% ST and 38% removal STV, the SST and VSS removals were 88%. The IAR showed removal efficiency NTK-N for the three phases respectively of 96%, 79% and 62% for ammonia were 99%, 89% and 80% sequence of three phases of operation. In the first and second phase occurred nitrification nitrite remained low at all stages. The removal of orthophosphate was negligible in the first two stages, but in the third stage reached values around 87% of orthophosphate removal and 70% of total phosphorus, resulting mainly from chemical precipitation. The removal of fecal coliforms was 4 logs in the third stage. Polyurethane proved to be a good means support for immobilization of algae, providing removal of nutrients and fecal coliform. / O presente estudo teve o objetivo de investigar a eficiência de um reator anaeróbio híbrido seguido de um reator com algas imobilizadas no tratamento de esgoto doméstico na remoção de material carbonáceo, nutrientes e bactérias indicadoras de contaminação fecal (coliformes termotolerantes). Foi construído em PVC um Reator Anaeróbio Híbrido (RAH), com volume de 52 litros, para tratar108 litros diários. O RAH era constituído de um reator anaeróbio de manta de lodo de fluxo ascendente (UASB) seguido de filtro anaeróbio (FAN) contendo poliuretano cortado em cubos como meio suporte, alimentado com esgoto doméstico. O efluente desse reator era conduzido a um Reator de Algas Imobilizadas (RAI) para póstratamento. O Reator de Algas Imobilizadas (RAI) foi construído em vidro com volume total de 6 litros e operou com características de reator com biofilme de leito móvel, usando uma bomba de aquário para promover o deslocamento do líquido. O RAI operou em três fases a primeira foi caracterizada pelas baixas taxas de fotossíntese, na segunda fase foi adicionado sulfato de amônio que estimulou a nitrificação, na terceira fase de operação observou-se elevação nas taxas fotossintéticas, com precipitação de fósforo, volatilização da amônia e decaimento dos coliformes termotolerantes. Os parâmetros físicos, químicos e microbiológicos, analisados deram suporte a avaliação da remoção de material carbonáceo, nutrientes e indicadores de contaminação fecal. O reator híbrido proporcionou considerável eficiência de remoção de matéria orgânica (77%), sendo 60% no UASB e 17% no filtro anaeróbio. Apresentou boa eficiência de remoção de sólidos sendo 21% de ST e 38% de remoção de STV, as remoções de SST e SSV foram de 88%. O RAI apresentou eficiência na remoção de N-NTK para as três fases respectivamente de 96%, 79 % e 62%, para a amônia foram de 99%, 89% e 80% sequência das três fases de operação. Na primeira e na segunda fase ocorreu nitrificação, o nitrito manteve-se baixo em todas as fases. A remoção de ortofosfato foi pouco significativa nas duas primeiras fases, contudo na terceira fase atingiu valores em torno 87% de remoção de ortofosfato e de 70% de fósforo total, resultante principalmente da precipitação química. A remoção de coliformes termotolerantes foi de 4 logs na terceira fase. O poliuretano mostrou-se um bom meio suporte para imobilização de algas, proporcionando remoção de nutrientes e coliformes termotolerantes.

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.

Este trabalho teve como objetivo sintetizar o palmitato de isopropila, éster emoliente, empregando como biocatalisador lipases microbianas imobilizadas em partículas de poli(estireno-co-divinilbenzeno) (STY-DVB-M) obtidas por meio da técnica de polimerização em suspensão e magnetizadas por co-precipitação de íons de Fe +2 e Fe +3 em meio básico. Inicialmente, a influência da concentração do agente de suspensão e da agitação na distribuição granulométrica do polímero sintetizado foi avaliada por planejamento experimental 2 2, com triplicata no ponto central. As polimerizações que resultaram nas maiores quantidades de partículas com tamanhos apropriados para utilização como suporte para imobilização (entre 80 e 24 mesh), foram obtidas empregando as seguintes condições experimentais: 1% de agente de suspensão (PVA) e 400 rpm de agitação. O suporte obtido foi utilizado para imobilizar a lipase de Candida rugosa (LCR) e lipase de Penicillium camemberti (LG) via adsorção física e os biocatalisadores resultantes aplicados em reações de esterificação do ácido palmítico com isopropanol em meio heptano. Para cada biocatalisador foi adotado um planejamento experimental estrela rotacional 22, com triplicata no ponto central para avaliar a influência da concentração de biocatalisador (% m/v) e da razão molar (ácido:álcool) no rendimento de esterificação. Nas condições otimizadas em 12 h de reação foram obtidos 75,60 e 88,53% de rendimento de esterificação, respectivamente, para a LCR e LG imobilizada em STY-DVB-M. A quantidade de água formada durante o bioprocesso não foi considerada fator relevante para interferir no progresso da síntese. O biocatalisador obtido pela LG imobilizada em STY-DVB-M foi empregado em biorreator de tanque agitado (280 mL), na condição ótima, em um experimento com ampliação de escala, atingindo 85,68% de rendimento em 12 horas de reação. No entanto, foi observado cisalhamento do suporte em função da agitação mecânica, optando-se pela realização do bioprocesso em biorreator de leito fixo (dimensões: 11 mm de diâmetro interno x 16,6 mm de comprimento) com recirculação do meio reacional (1,5 mL.min-1). A operação do sistema nesta configuração foi impossibilitada pela evaporação e/ou percolação do solvente. Assim, foram realizadas reações em reator de leito fixo em meio isento de solvente nas seguintes razões molares: 1:3, 1:4 e 1:6 (ácido:álcool), cujos melhores resultados foram obtidos na razão molar de 1:4, apresentando 56% de rendimento, 215,88 g.L-1 do palmitato de isopropila e produtividade de 26,87 g.L-1.h-1, decorridas 8h de reação com vazão de reciclo de 1,5 mLmin-1. O emprego de peneira molecular no reservatório do substrato proporcionou um acréscimo de aproximadamente 7% na formação do éster. Essa mesma condição experimental (1:4 em meio isento de solvente) foi testada em reator de tanque agitado, atingindo produtividade de 33,40 g.L-1.h-1 em 8h de reação. No entanto, em função da desvantagem do cisalhamento do suporte constatada neste tipo de biorreator, concluiu-se que o biorreator de leito fixo foi a configuração mais adequada, para a condução do bioprocesso estudado, apresentando viabilidade do processo enzimático empregando lipase imobilizada em suporte híbrido magnetizado para a síntese do palmitato de isopropila. / The aim of this study was to synthesize isopropyl palmitate, an emollient ester, using as biocatalyst microbial lipase immobilized on magnetic copolymer. The support was prepared by suspension polymerization technique using styrene and divinylbenzene monomers in the presence of magnetite particles synthesized by co-precipitation of Fe+2 and Fe+3. The influence of the suspending agent concentration and the mechanical agitation on the granulometric distribution of the synthesized polymer was assessed by a 22 factorial design with triplicate at central point. The statistical analysis indicated that the optimal experimental conditions to obtain the largest amount of particles with suitable size (between 80 and 24 mesh) to be used as immobilizing support were attained at 1% suspending agent (PVA) at 400 rpm stirring. The resulting support was used to immobilize Candida rugosa lipase (LCR) and Penicillium camemberti lipase (LG) by physical adsorption and applied in the esterification reaction of palmitic acid with isopropyl alcohol in presence of solvent (heptane). For each biocatalyst a central composite 22 experimental design with triplicate at central point was performed to determine the influence of biocatalyst concentration (% m/v) and molar ratio (acid: alcohol) on the reaction yield. Under the optimal conditions higher performance was achieved by LG immobilized on STY-DVB-M (88.53%) than LCR immobilized on STYDVB-M (75.60%) with shaking at 12 hours reaction. For both reactions the amount of water formed as byproduct was not found to be a relevant factor that interferes in the synthesis progress. The most activity immobilized biocatalyst (LG STY-DVB-M) was used in agitated tank bioreactor (280 mL), under optimized conditions, in an experiment with scale-up, reaching 85.68% yield in 12 hours. However, it has been observed that the support was low mechanical shear and therefore an attempted was made to run the reaction in a packed bed bioreactor (dimensions: 11 mm internal diameter x 16,6 mm length) with recirculation of the reaction medium (1,5 mL.min-1). The system could not be operated under this configuration because of solvent evaporation and/or percolation. Thereby, the reactions were carried out in packed bed reactor using solvent-free medium under the following molar ratios: 1:3, 1:4 and 1:6 (acid: alcohol). The best performance (56% yield, 215.88 g L-1 of isopropyl palmitate and 26.87 gL-1.h-1 of productivity) was attained running the reactor with substrate at molar ratio of acid to alcohol of 1:4 for 8 hours with recycle rate of 1,5 mL.min-1. The use of a molecular sieve in the substrate reservoir resulted in an increase of approximately 7% of ester formation. By comparison, esterification run under the same experimental condition (1:4 in solvent-free medium) was carried out in a stirred tank reactor and slight higher productivity (33.40 g.L-1.h-1) was achieved. However, due the shear limitation of the support, it was concluded that the most suitable configuration for this bioprocess is the packed bed bioreactor, thereby showing that the enzymatic process is feasible using lipase immobilized on a magnetized hybrid support for isopropyl palmitate synthesis.

<p>Proizvodnja bioetanola iz među- i nusproizvoda procesa<br />prerade &scaron;ećerne repe, može imati pozitivan uticaj na<br />regionalnu ekomomiju i socio-ekonomski razvoj u zemljama<br />sa razvijenom industrijom konzumnog &scaron;ećera, kao &scaron;to je<br />Srbija. Kao proizvodni mikroorganizam u proizvodnji<br />etanola u najvećoj meri se koristi kvasac Saccharomyces<br />cerevisiae. Primena imobilisanih ćelija kvasca u fermentaciji<br />podloga sa visokom sadržajem &scaron;ećera (iznad 250 g/l), tzv.<br />VHG fermentacija, je često izučavana sa ciljem povećanja<br />efikasnosti proizvodnje etanola. U ovom radu su ćelije S.<br />cerevisiae imobilisane na različitim novim nosačima:<br />presovanim rezancima &scaron;ećerne repe (PR&Scaron;R), suvim<br />rezancima &scaron;ećerne repe (SR&Scaron;R), parenhimskom tkivu stabla<br />kukuruza (PTSK) u obliku diska, na kombinovanim<br />nosačima od PTSK u obliku diska obloženog Ca-alginatom(K1) i ispunjenog Ca-aglinatom (K2), na kuglicama Caalginata(AB) kao i na kombinovanim kuglicama od Caalginata i mliva PTSK (ABC). Imobilisane ćelije kvasca su primenjene za fermentaciju melase i gustog soka &scaron;ećerne repe sa krajnjim ciljem da se racionalnim kori&scaron;ćenjem</p><p>među- i nusproizoda procesa prerade &scaron;ećerne repe postigne<br />efikasna proizvodnja etanola uz smanjene tro&scaron;kove<br />proizvodnje kao, i uz smanjenje emisije otpadnih tokova.<br />U radu je ustanovljeno da su PR&Scaron;R, SR&Scaron;R i PTSK efikasni<br />nosači za imobilizaciju ćelija kvasca zahvaljujući prisustvu<br />pozitivno naelektrisanih funkcionalnih grupa, visokoj<br />poroznosti, hidrofilnosti, mehaničkoj čvrstini i stabilnosti.<br />Takođe ovi nosači &scaron;tite kvasac od osmotskog stresa,<br />toksičnog dejstva etanola i inhibitora. Zahvaljujući<br />heterogenoj strukturi PR&Scaron;R, SR&Scaron;R i PTSK se mogu koristiti<br />kao efikasni adsorbenti za ćelije kvasca, kao i za uklanjanje<br />katjonskih i anjonskih komponenata u postupku prerade<br />otpadnih voda. Pored toga, utvđeno je da PTSK predstavlja<br />alternativni obnovljivi izvor hranljivih materija neophodnih<br />kvascu tokom fermentacije melase i gustog soka, a takođe<br />deluje i kao antipenu&scaron;avac. Primenom ćelija kvasca<br />imobilisanih na SR&Scaron;R ostvarena je maksimalna<br />produktivnost etanola od 1,48 g/lh za melasu i 1,57 g/lh za<br />gusti sok, pri početnoj koncentraciji &scaron;ećera u podlozi 180 g/l.<br />Primenom ćelija kvasca imobilisanih na PTSK u obliku<br />diska (visine oko 5 mm i prečnika oko 20 mm) postignuta je<br />produktivnost etanola 1,26 g/lh za melasu 1,42 g/lh za gusti<br />sok, pri početnoj koncentraciji &scaron;ećera 150 g/l. Osnovni<br />nedostatak primene imobilisanih ćelija na SR&Scaron;R i PTSK u<br />alkoholnoj fermentaciji je lako ispiranje ćelija sa nosača.<br />Kombinovani nosači u obliku diska PTSK obloženog Ca alginatom<br />(K1) i ispunjenog Ca-aglinatom (K2) su<br />pripremljeni kako bi se sprečilo ispiranje ćelija kvasca.<br />Utvrđeno je da nosač K1 nije adekvatan za povećanje<br />efikasnosti imobilizacije. Imobilizacijom kvasca punjenjem<br />nosača K2 je povećana efikasnost imobilizacije ćelija kvasca<br />na PTSK, ali je usled velike zapremine i kompaktnosti<br />nosača K2 tokom fermentacije delimično otežan transport<br />supstrata i produkata kroz disk.<br />Melasa i gusti sok &scaron;ećerne repe su veoma dobre sirovine za<br />proizvodnju etanola, usled visokog sadržaja fermentabilnih<br />&scaron;ećera, koji slobodne i/ili imobiliane ćelije S. cerevisiae mogu<br />direktno koristiti za fermentaciju. Međutim, uzimajući u<br />obzir hemijski sastav ovih sirovina i ostvarene parametre</p><p>fermentacije, utvrđeno je da je gusti sok bolja sirovina za<br />proizvodnju etanola od melase, posebno u VHG uslovima.<br />Takođe je utvrđeno da se gusti sok može koristiti kao<br />sirovina za fermentaciju bez dodataka hranljivih materija.<br />Ustanovljeno je da su melase koje preostaju nakon osmotske<br />dehidratacije crvenog kupusa i mrkve veoma dobre sirovine<br />za proizvodnju etanola pri početnoj koncentraciji &scaron;ećera u<br />podlozi do 150 g/l, ali nisu pogodne sirovine za VHG<br />fermentaciju pomoću slobodnih i imobilisanih ćelija u AB<br />kuglicama. Fermentacijom melase nakon osmotske<br />dehidratacije kupusa i mrkve početne koncentracije &scaron;ećera<br />125 g/l, primenom ćelija kvasca imobilisanih u AB<br />kuglicama, ostvarena je najvi&scaron;a produktivnost etanola od<br />1,24 g/lh i 1,30 g/lh. Tokom fermentacije melase i gustog soka<br />primenom ćelija kvasca imobilisanih u AB kuglicama usled<br />izdvajanja CO2, dolazi do naru&scaron;avanja strukture kuglica<br />pojavom poprečne pukotine koja kuglicu polimera deli na<br />dva približno jednaka dela.<br />Kako bi se sprečila degradacija Ca-alginata tokom<br />fermentacije pripremljen je novi kombinovani nosač od Caalginata<br />i mliva PTSK (ABC). Dodatkom samlevenog PTSK<br />sa mikrostrukturom pčeljinjeg saća u Ca-alginat je povećana<br />poroznost kuglica čime je omogućen efikasniji prenos mase<br />supstrata i produkata, povećana je raspoloživa povr&scaron;ina za<br />adsorpciju i rast ćelija kvasca kao i čvrstina i stabilost<br />kuglica. Poređenjem parametara fermentacije, utvrđeno je<br />da su ćelije kvasca imobilisane na ABC kuglicama efikasniji<br />biokatalizator u poređenju sa slobodnim ćelijama kvasca,<br />kao i u poređenju sa ćelijama imobilisanim u AB kuglicama.<br />Dodatkom samlevenog PTSK u podlogu ili u Ca-alginat<br />povećava se sadržaj etanola i metanola, smanjuje se sadržaj<br />kiselina i acetaldehida u sirovom destilatu, dok se sadržaj<br />vi&scaron;ih alkohola, estara i furfurala ne menja značajno. Ćelije<br />kvasca imobilisane u kombinovanim ABC kuglicama se<br />mogu uspe&scaron;no primeniti za pet ponovljenih fermentacija<br />gustog soka pri standardnim (NG) i uslovima visoke<br />koncentracije &scaron;ećera (VHG) pri čemu se može postići<br />produktivnost etanola 1,92-2,30 g/lh. Primenom imobilisanih<br />ćelija kvasca u kombinovanim ABC kuglicama u<br />kontinualnoj VHG fermentaciji gustog soka, početne<br />koncentracije &scaron;ećera 300 g/l, ostvaren je stabilan<br />fermentacioni sistem tokom 15 dana, pri čemu je<br />produktivnost etanola iznosila 3,29 do 4,66 g/lh.</p> / <p>Bioethanol production from intermediate and byproducts<br />of sugar beet processing has a beneficial scope<br />in view of the socio-economic development and regional<br />economy in countries with developed sugar industry,<br />such as Serbia. Saccharomyces cerevisiae strain is the<br />most widely used ethanol producing microorganism. To<br />increase the efficiency of ethanol production, many<br />process improvements including immobilized cells<br />application and fermentation of very high gravity (VHG)<br />media with initial sugar over 250 g/l, have been studied.<br />In the present work yeast S. cerevisiae was immobilized<br />onto different new carriers: pressed sugar beet pulp<br />(PSBP), dried sugar beet pulp (DSBP), maize stem<br />ground tissue (MSGT) disks, MSGT discs coated with<br />Ca-alginate (K1) and MSGT discs filled with Ca-alginate<br />(K2), Ca-alginate beads (AB) and combined beads made</p><p>of Ca-alginate and maize stem ground tissue meal (ABC).<br />Immobilized yeast cells were used for ethanol<br />fermentation of molasses and thick juice with purposes to<br />obtain efficient ethanol production, to lower high<br />operating costs and to achieve the zero-waste goal<br />through a rational use of by-products of sugar beet<br />processing.<br />In the present work it was found that PSBP, DSBP and<br />MSGT are efficient carriers for yeast cell immobilization<br />due to the presence of positively charged binding sites,<br />high porosity and hidrophylicity, good mechanical<br />strength and stability, while functioned as a fortification<br />against osmotic stress, toxins and inhibitors. It was also<br />found that due to the heterogeneous structure the PSBP,<br />DSBP and MSGT are promising adsorbents for the<br />removal of cationic and anionic compounds from<br />aqueous solutions in the waste water treatment. Besides,<br />it is found that the MSGT can be used as an alternative<br />nutrient source for yeast cells and as an anti foaming<br />agent. A maximum ethanol productivity of 1.48 g/lh and<br />1.57 g/lh was achieved in the fermentation of molasses<br />and thick juice (initial sugar of 180 g/l) using yeast<br />immobilized on DSBP. The highest values of ethanol<br />productivity, obtained in the case of using yeast<br />immobilized on MSGT discs as biocatalyst, for molasses<br />and thick juice (initial sugar of 150 g/l) fermentation<br />were 1.26 g/lh and 1.42 g/lh. The main disadvantage of<br />using DSBP and MSGT supported biocatalyst is intensive<br />leakage of yeast cells during the fermentation. In order to<br />prevent yeast leakage combined carriers in the form of<br />MSGT discs coated with Ca-alginate (K1) and MSGT<br />discs filled with Ca-alginate (K2) were prepared. The K1<br />carrier was found to be unsuccessful for improving yeast<br />immobilization efficiency, while the application K2<br />carrier improved yeast immobilization efficiency during<br />the fermentation. However, due to the large volume and<br />compactness of the K2 carrier substrate and product<br />mass transfer limitation were observed during the<br />fermentation.<br />The sugar beet molasses and thick juice are very good<br />raw materials for ethanol production due to high content<br />of fermentable sugars, which can be directly used for<br />fermentation by free and/or immobilized S. cerevisiae<br />cells without any modification. However, taking into</p><p>consideration quality of these raw materials and obtained<br />fermentation parameters, sugar beet thick juice was<br />found to be more suitable raw material for ethanol<br />fermentation, compared to molasses, particularly in the<br />VHG fermentation process and can be used without any<br />nutrient supplementation. Similarly, it was found that<br />molasses left after the osmotic dehydratation of red<br />cabbage (M1) and carrots (M2) are excellent raw<br />materials for ethanol fermentation of media with initial<br />sugar concentration up to 150 g/l, while they are not<br />convenient for VHG fermentation by free or immobilized<br />yeast cells in AB carrier. Maximum ethanol productivity<br />obtained at the end of fermentation of molasses M1 and<br />M2 by immobilized yeast in AB carrier was 1.24 g/lh and<br />1.30 g/lh, respectively. The release of CO2 during the<br />fermentation of molasses and thick juice by yeast cells<br />immobilized in the AB, lead to breakage of polymer<br />beads on two halves.<br />In order to prevent AB disruption, a new combined yeast<br />carrier (ABC) was developed by the addition of MSGT<br />meal into the Ca-alginate. It was found that the addition<br />of MSGT meal, with honeycomb microstructure,<br />provided large surface area for yeast cell attachment and<br />biofilm growth, and also increased alginate matrix<br />porosity, enabling better mass transfer characteristic,<br />better physical strength and stability of beads. The<br />highest values of fermentation parameters were obtained<br />in the fermentation system with yeast immobilized on<br />ABC carrier in comparison with free yeast cells and yeast<br />immobilized on AB carrier. The Ca-alginate and medium<br />supplementation with MSGT meal significantly increased<br />ethanol and methanol content, decreased acetaldehyde<br />and acetic acid content of the distillate, but did not affect<br />fusel alcohol, ester and furfural content of the distillate.<br />Repeated batch normal gravity (NG) and very high<br />gravity (VHG) ethanol fermentation of thick juice by<br />yeast immobilized on ABC carrier was successfully<br />carried out for at least five successive cycles without any<br />significant decrease in ethanol productivity which was in<br />the range 1.92-2.30 g/lh. Continuous VHG ethanol<br />fermentation of thick juice (initial sugar of 300 g/l) using<br />yeast immobilized on ABC was stable for at least 15 days<br />while achieved ethanol productivity was 3.29-4.66 g/lh.</p>

Este projeto estudou a influência do substrato na dinâmica do processo de formação do biofilme em espuma de poliuretano, em reatores anaeróbios horizontais de leito fixo diferenciais, alimentados com extrato de carne, glicose, amido, lipídeos e esgoto sanitário sintético. O estudo constitui em acompanhar a colonização das matrizes de espuma, ao longo do tempo, em relação a quantidade de biomassa aculumada, polímero extracelular produzido e características morfológicas das células presentes nos suportes retirados dos reatores diferenciais. O uso dessas técnicas permitiu o melhor entendimento do processo de aderência, além da verificação da composição morfológica e a estrutura do biofilme aderido ao suporte, possibilitando correlacionar a ocorrência de determinadas morfologias com cada etapa da colonização observada. A influência do substrato na dinâmica de aderência foi verificada devido aos diferentes padrões de colonização encontrados. Foi observada uma grande variabilidade morfológica em relação ao substrato utilizado. Todavia, uma grande ocorrência de organismos semelhantes a Methanosaeta sp foi verificada em todos os ciclos, principalmente em relação a Methanosarcina sp. O fenômeno de excreção de polímeros pareceu ser de fundamental importância no processo de colonização de matrizes de poliuretano, estando vinculado provavelmente à fixação das células aos suportes. A produção de polímeros, na etapa de aderência inicial, apresentou comportamento diferenciado para cada substrato utilizado. De acordo com os modelos propostos e as análises de microscopia eletrônica de varredura, verificou-se que os polímeros extracelulares podem estar ligados ao entupimento de reatores de leito fixo, permanecendo no interior dos suportes e nos interstícios do leito, causando problemas operacionais. As rápidas partidas observadas em trabalhos utilizando reatores de leito fixo e espuma de poliuretano como suporte podem estar vinculadas à rápida aderência dos organismos em todos os ciclos estudados. / This work focused on the influence of the type of substrate on the process of biofilm formation onto polyurethane foam matrices, in differential horizontal anaerobic immobilized sludge reactors, fed with meat extract (protein), glucose, starch, lipid and synthetic domestic wastewater. It consisted of accompanying the colonization of foam matrices with time, regarding to biomass amount, extracellular polymers produced and the morphological characteristics of the cells present on the supports packed in the differential reactors. These techniques permitted a better understanding of the adhesion process, besides a verification of the morphological composition and the structure of the biofilm attached to the support, making possible a correlation of the particular morphologies occurrences with each colonization step. The influence of the substrate was verified due to the different colonization patterns found. It was observed considerable morphological variety depending on the substrate utilized. However, the presence of Methanosaeta sp.- like organisms was often verified in all cycles, specially Methanosarcina sp. The excretion of polymers seemed to be crucial in the colonization process of the polyurethane matrices, being probably related to the cell fixation on the support. The polymeric production, in the inital adhesion step, showed a particular behavior for each substrate employed. According to the proposed models and the scanning electronic microscopy analysis, it was verified that the extracellular polymers can be related to the clogging of the fixed-bed reactors, as it keeps into the supports and the bed interstices, causing operational problems. The fast start-ups observed in works using fixed-bed reactors and polyurethane foam as support can be related to the fast cell adhesion during all cycles studied.

O projeto proposto teve como objetivo principal à avaliação do suporte no desempenho do reator anaeróbio operado em bateladas seqüenciais, com agitação, contendo biomassa imobilizada no tratamento de esgoto sanitário do Campus da USP em São Carlos. O estudo do desempenho global deste tipo de configuração de reator é extremamente vinculado com o suporte inerte o qual proporciona a aderência e crescimento da biomassa. Neste trabalho foram estudados três suportes inertes: espuma de poliuretano, carvão vegetal e polietileno de baixa densidade reciclado. A avaliação global foi realizada sob análise de três diferentes e dependentes variáveis locais: o desempenho do reator, a análise cinética e os exames microbiológicos. A espuma de poliuretano pôde ser considerada como sendo o material mais adequado para tal finalidade, apresentando maiores eficiências de redução da DQO de amostras brutas e filtradas de 61% e 71%, respectivamente, o melhor coeficiente cinético aparente de primeira ordem (k1T): 0,52 ± 0,04 h-1, e uma biomassa predominantemente caracterizada por arqueas metanogênicas e bactérias fototróficas. O carvão vegetal apresentou resultados intermediários, no entanto não satisfatórios, na redução de DQO e ainda uma biomassa não compatível com a esperada para um tratamento anaeróbio biológico. Ou seja, pode-se inferir que neste tipo de suporte houve seleção de biomassa inadequada para se tratar esgoto sanitário. Por fim, o polietileno apresentou os resultados menos expressivos, porém, dada sua caracterização microbiológica constatou-se ser um suporte com potencial para o tratamento de esgoto sanitário quando nele for aplicado um tratamento prévio, objetivando melhores características físico-químicos, como rugosidade, por exemplo. / The main objective of this study was the evaluation of bed materials on the performance of an anaerobic sequencing batch biofilm reactor, with agitation, treating sewage wastewater of the Campus of University of São Paulo in São Carlos. The study of the global performance of this reactor configuration is extremely linked with the bed material which provides adhesive and growing conditions. In this work three different bed materials were investigated : polyurethane foam, vegetal carbon and recycled low-density polyethylene. The global evaluation was performed under analysis of three different and dependant local variables: the reactor performance, kinetic analyses and microbial exams. The polyurethane foam was considered the most suitable material. Using the polyurethane foam as a bed material were obtained the highest COD removal efficiencies, 61% and 71% corresponding to total and filtered samples, respectively. In Addition, the polyurethane foam showed the best modified first-order kinetic model (k1T) of 0,52 ± 0,04 h-1, and a biomass predominately characterized by microorganisms resembling to methanogenic archea and phototrophic bacteria . The vegetal carbon showed intermediate results, which were not satisfactory enough, in the COD removal. Also, the vegetal carbon showed an incompatible biomass in accordance with the expected anaerobic biomass. In others words, it can be inferred that, using this type of material, there was a selective biomass process in which an inappropriate biomass was selected. Finally, the recycled low-density polyethylene showed the less expressive results. However, because of its microbial characterization, it can be concluded that the polyethylene material has potential to be applied as a bed material in the sewage wastewater treatment. Nevertheless, a previous treatment physics-chemical must be applied in this kind of bed material to improve the physics-chemical properties such as porosity and surface area.