Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6133.pdf: 10637138 bytes, checksum: 64ada7d9f618d8563b1dbee6ecf9ca2f (MD5) Previous issue date: 2013-09-30 / Universidade Federal de Sao Carlos / Due to owing to the nature of culture involving aerobic filamentous microorganisms, conventional aerated stirred-tank bioreactors using the Rushton turbine impeller are widely employed in order to achieve good mixing and oxygen mass transfer. However, this impeller presents disadvantages such as high power consumption, and generates higher shear in the medium, which can cause irreversible morphological changes in microorganisms, damaging the culture performance. In literature, impellers called "Elephant Ear" (EE), presented in down-flow (down-pumping) (EEDP) and up-flow (up-pumping) (EEUP) configurations, are indicated as suitable for cultivation of shear sensitive cells. However, this characteristic has never been demonstrated quantitatively. In the present study, the oxygen transfer and hydrodynamics parameters were evaluated and compared in a conventional aerated stirredtank bioreactor equipped with impellers as the classical impeller Rushton turbine (RT) and with EE in EEDP and EEUP modes. Firstly, prediction equations were obtained for quantifying the average shear rate (Ýav) in the different systems, as function of the operating conditions (600≤N≤1000 rpm and 0.40≤Ýavar≤1.2 vvm) and rheological properties of the pseudoplastic fluids (K and n), based on a methodology that uses the volumetric oxygen transfer coefficient as characteristic parameter. The values of Ýav obtained from the correlations for the RT impeller were within a range of values estimated from correlations of the literature, showing that the methodology utilized is valid. Based on correlations of Ýav and on results of power consumption, the energy dissipation and Kolmogorov micro-scale (micro eddy sizes) could be estimated. For non-Newtonian fluids, the RT and EEUP impellers generated micro-eddies with smaller sizes in the range from 45.0-127.0 and 80.6-123.7 μm, respectively, showing that the impellers RT and EEUP are more shear than EEDP impeller. Using the prediction equations of Ýav the effect of shear conditions in cultures of Streptomyces clavuligerus were evaluated in conventional bioreactor equipped with RT, EEDP and EEUP impellers at 800 rpm, 0.50 vvm and 30C. Profiles of the volumetric oxygen transfer coefficient and shear rate were obtained during the cultivation. The morphological changes resulted from shear conditions imposed for the different impellers were analyzed using image analysis technique. The RT and EEDP impellers imposed the highest oxygen transfer and smaller shear to the broth, respectively. The flow pattern generated by EE impellers was crucial at the beginning of the cultivation, and is highly beneficial when EEUP impeller were used, since it presented a controlled shear throughout the cultivation. The best cultivation condition for the clavulanic acid production was obtained using the EEUP impeller, which resulted in a maximum concentration of 453 mg/L and a consistency index K= 2.5 Pa.s0.27. The results suggested that the isolated hyphae are directly related to the K of the broth and clavulanic acid production. According to the rapid fragmentation of clumps and emergence of isolated hyphae, it was concluded that the RT impeller presents shear rates higher than the EEs impellers, since the size of branched and non-branched hyphae were smaller and in greater quantities. This fact shows an advantage in the EEUP impeller use in shear sensitive microorganism cultures that requiring high levels of oxygen, without affecting the process performance. This advantage is associated with the flow pattern generated for the EEUP impeller. / Devido à natureza dos caldos de cultivo envolvendo microrganismos filamentosos aeróbios, de modo de obter adequada transferência de oxigênio e homogeneização do meio são tradicionalmente empregados biorreatores convencionais tipo tanque agitado e aerado utilizando o impelidor turbina de Rushton. Porém, esse impelidor apresenta desvantagens tais como o alto consumo de energia e elevado cisalhamento imposto ao meio, que pode provocar mudanças morfológicas irreversíveis aos microrganismos, prejudicando o rendimento dos cultivos. Na literatura especializada são indicados os impelidores denominados orelha de elefante ou Elephant Ear (EE), nas configurações de escoamento descendente (down-pumping) (EEDP) e de escoamento ascendente (up-pumping) (EEUP), como adequados para cultivos de células sensíveis ao cisalhamento. No entanto, esta caraterística nunca foi demostrada quantitativamente. No presente trabalho foram avaliados e comparados parâmetros de transferência de oxigênio e hidrodinâmicos em biorreator convencional tipo tanque agitado e aerado, equipado com impelidores como a clássica turbina de Rushton (TR) e com EE nas configurações EEDP e EEUP. Inicialmente foram obtidas equações de previsão para a quantificação da velocidade de cisalhamento média (Ýav Ýav) nos diferentes sistemas em função da frequência de agitação do impelidor e vazão especifica de ar e das propriedades reológicas de fluidos pseudoplásticos, com base em metodologia que utiliza o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio como parâmetro característico. Valores obtidos de Ýav para o impelidor TR pelas correlações obtidas ficaram dentro de uma faixa de valores estimados por correlações de literatura validando a metodologia empregada. Com base nas correlações de Ýav e nos resultados de consumo de potência, pode-se quantificar a dissipação de energia e a microescala de Kolmogorov (tamanho de micro-turbilhões). Para fluidos não-Newtonianos, os impelidores TR e EEUP geraram os menores micro-turbilhões com tamanhos nas faixas de 45,0-127,0 μm e de 80,6-123,7 μm, respectivamente, mostrando serem esses impelidores mais cisalhantes que o impelidor EEDP. Também com base nas equações de previsão de Ýav, foram avaliadas as influências das condições de transferência de oxigênio e de cisalhamento em cultivos de Streptomyces clavuligerus visando a produção de ácido clavulânico em biorreator convencional com os impelidores TR, EEDP e EEUP a 800 rpm, 0,50 vvm e 30C. A partir das amostras coletadas ao longo dos cultivos, foram obtidos perfis de kLa e de Ýav. Foram acompanhadas as mudanças morfológicas decorrentes das condições de cisalhamento impostas pelos diferentes impelidores mediante a técnica de análise de imagens. Os impelidores TR e EEDP impuseram, respectivamente, maiores e menores transferências de oxigênio e condições de cisalhamento ao caldo. A eficiência do padrão de escoamento gerado pelos impelidores EEs foi crucial nas primeiras horas do cultivo, sendo altamente benéfico quando utilizado o impelidor EEUP, o qual apresenta um cisalhamento controlado ao longo do cultivo. A melhor condição de cultivo em função da produção de ácido clavulânico foi obtida utilizando o impelidor EEUP obtendo uma produção máxima de 453 mg/L e índice de consistência K=2,5 Pa.s0,27. Os resultados sugerem que a quantidade de hifas isoladas está diretamente relacionada com o K do caldo e a produção de ácido clavulânico. De acordo com a rápida fragmentação de clumps e surgimento de hifas isoladas, conclui-se que o impelidor TR cisalha mais que os impelidores EE, isto é, pelos tamanhos das hifas ramificadas e não ramificadas que foram geradas em maiores quantidades e em menores dimensões. Tal fato mostra uma vantagem no uso do impelidor EEUP em cultivos de microrganismos sensíveis ao cisalhamento, e que necessitam de níveis superiores de oxigenação, não prejudicando o desempenho do processo. Estes resultados sugerem essa vantagem está associada ao padrão de escoamento imposto pelo impelidor EEUP.

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No. of bitstreams: 1 DissMMB.pdf: 2553777 bytes, checksum: 21e951a2087a84913403141b819234c7 (MD5) Previous issue date: 2016-02-26 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / The type and operational conditions of a bioreactor chosen during the production phase of a product of interest affect not only the morphology and growth of filamentous microorganisms but also the product itself. Still the most common process to produce bioproducts is submerged cultures in conventional stirred and aerated bioreactors, with impeller of type six flat-blade turbine, or Rushton turbine (RT), which promotes good mixing and suitable oxygen transfer, but its power consumption is high and it causes high shear rate to the broth creating a hostile environment to the microorganisms. Alternatively, an impeller of the type “Elephant Ear” (EE) is shown in the literature as a “low shear” impeller, more suitable for the cultivation of shear sensitive microorganisms. This impeller creates a mixed flow (axial and radial) of broth with down flow (EEDP) or up (EEUP) depending on its geometry. This study aimed to evaluate the best association of impellers for filamentous fungi cultures in a conventional bioreactor. Initially the volumetric coefficient of oxygen transfer (kLa) and the power consumption of seven different association of impellers were evaluated. The results obtained the factorial design methodology showed that the associations EEDP-EEUP, RT-EEDP, and EEDP-RT, showed the best results regarding the oxygen transfer and the power consumption, being up to 87% more efficient than the standard RT-RT association. Two of the better performing association and the traditional (RT-RT) were selected to be evaluated regarding the shearing, by using empirical equations and the size of the eddies, evaluated by the Kolmogorov microscale. The association that showed higher values on the Kolmogorov scale and least shearing was EEDPEEUP, with shearing up to 60% lower than the RT-RT association. In the last step the effects of shear on the morphology of the fungi Aspergillus niger was evaluated. Short-term cultures (4h) were cultivated so that the cellular growth would not harm the analysis. The results showed that on the culture that used the EEDP-EEUP association the morphological form of cell clumps predominated, while on the culture that used the RT-RT association the morphological form of branched hyphae predominated, suggesting that the RT-RT association causes more shearing and can cause irreversible damage to the fungal cells. / O crescimento celular e a morfologia de microrganismos filamentosos, bem como o produto de interesse são afetados pelo modelo de biorreator e pelas condições de operação adotadas durante a etapa de produção. O processo mais adotado industrialmente para produção de bioprodutos ainda são os cultivos submersos em biorreatores convencionais tipo tanque agitado e aerado, sendo o impelidor tipo turbina de seis pás planas ou turbina de Rushton (RT) o mais utilizado por promover boa mistura e adequada transferência de oxigênio, porém seu consumo de potência é alto além de impor alto cisalhamento ao caldo gerando um ambiente hostil ao microrganismo. Alternativamente, o impelidor tipo “orelha de Elefante” ou “Elephant ear” (EE) é apresentado na literatura como um impelidor de “baixo cisalhamento” mais adequado para o cultivo dos microrganismos sensíveis ao cisalhamento. Esse impelidor promove um escoamento misto (axial e radial) do caldo com escoamento para baixo (EEDP) ou para cima (EEUP) dependendo da sua geometria. O presente trabalho teve como objetivo avaliar as melhores associações de impelidores para cultivos de fungos filamentosos em biorreator convencional. Primeiramente sete diferentes associações foram avaliadas em relação ao coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) e consumo de energia. Os resultados obtidos utilizando a metodologia de planejamento experimental fatorial mostraram que as configurações EEDP-EEUP, RT-EEDP e EEDP-RT foram as que apresentaram melhores resultados em relação à transferência de oxigênio e consumo de potência, com eficiência até 87% superior à associação padrão RT-RT. Foram então selecionadas duas das associações de melhor desempenho e a tradicional (RT-RT) para serem avaliadas em relação ao cisalhamento, através de equações empíricas e em relação ao tamanho dos turbilhões, avaliado pela microescala de Kolmogorov. A associação que apresentou maiores valores para microescala de Kolmogorov e menor cisalhamento foi a EEDP-EEUP, com cisalhamento até 60% inferior que a observada quando utilizada a associação RT-RT. Na última etapa verificou-se os efeitos do cisalhamento na morfologia do fungo Aspergillus niger. Foram realizados cultivos de curta duração (4 h) para evitar que o crescimento celular prejudicasse a análise. Os resultados mostraram que no cultivo utilizando o sistema EEDP-EEUP predominou a forma morfológica de aglomerados celulares (clumps), enquanto que no cultivo com impelidores Rushton (RT-RT) predominou a forma morfológica de hifas ramificadas, sugerindo um cisalhamento mais intenso provocado por este sistema de agitação, que pode acarretar danos irreversíveis às células fúngicas.