No Brasil, vários grupos de pesquisa vêm se empenhando em desenvolver estratégias que visam ao aproveitamento da biomassa vegetal, principalmente biomassa de cana-de-açúcar, para a produção de etanol de segunda geração (2G), o que coloca o País numa posição de destaque no cenário internacional, na busca por alternativas para a produção de energia de forma sustentável e economicamente competitiva. Dentro deste contexto, este trabalho avaliou a obtenção de etanol 2G a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar pela levedura Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124, pela determinação das melhores condições de suplementação do meio de cultivo e das condições operacionais em processo descontínuo e descontínuo alimentado. Na etapa de estabelecimento da suplementação do meio de cultivo foi empregado um planejamento experimental fracionado 29-5 com três repetições no ponto central e um planejamento de mistura. As melhores condições foram (2,0 g/L) extrato de levedura, (0,5 g/L) fosfato de potássio, (0,5 g/L) peptona, (0,5 g/L) sulfato de magnésio e (0,01 g/L) sulfato de zinco. Quanto ao estabelecimento das condições operacionais pHinicial, agitação e vazão de ar em biorreator, utilizou-se um planejamento central composto rotacional com três repetições no ponto central. As melhores condições encontradas foram pHinicial 6,0, agitação 225 rpm e aeração 0,45 vvm obtendo-se um fator de conversão em etanol (YP/S) de 0,23 g/g e produtividade (QP) de 0,18 g/L/h. Posteriormente foram realizados processos de fermentação descontínua e descontínua alimentada empregando-se as melhores condições definidas. No processo descontínuo, observou-se a produção de 9,94 g/L de etanol, correspondendo a valores de QP de 0,28 g/L/h, enquanto a utilização do processo descontínuo alimentado resultou em favorecimento de 37,3%, 75% nos valores de etanol formado (13,75 g/L), QP (0,49 g/L/h), respectivamente. Os resultados indicaram que um meio de cultivo suplementado com adição de poucos nutrientes aliado ao emprego de fermentação em modo descontínuo alimentado é uma estratégia promissora para a produção de etanol 2G a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana. / In Brazil, research groups have been striving to develop strategies aimed at the use of plant biomass, and second generation ethanol has made the country a leader in this area. Energy and sustainability solutions are key to making this technology more competitive to meet the growing demand for biofuels. In this work, the acquisition of 2G ethanol from sugarcane hemicellulose hydrolyzate in culture medium optimized by Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 yeast residue was evaluated. Simple batch and fed batch operational conditions were evaluated for use in bioprocesses. Experiments were performed in Erlenmeyer flasks with medium containing sugarcane bagasse hemicellulose hydrolyzate, which was detoxified using the yeast Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124, in order to optimize the culture medium according to a fractional factorial design of 29-5, with three repetitions at the midpoint, and a mix plan. The best optimized conditions were yeast extract (2.0 g/L), potassium phosphate (0.5 g/L), peptone (0.5 g/L), magnesium sulfate (0.5 g/L) and zinc sulfate (0.01 g/L). Soon after, pHinicial variables, agitation, and air flow rate were optimized in the bioreactor using a central composite rotational design with three repetitions at the midpoint. The best conditions were found with pHinicial at 6.0, agitation at 225 rpm and aeration at 0.45 vvm, which obtained a YP/S of 0.23 g/g and a QP of 0.18 g/L/h. The performance of Scheffersomyces stipitis yeast in a discontinuous fed-batch process with optimized conditions were also evaluated. In the process, the simple batch reached a 9.94 g/L ethanol production a QP of 0.28 g/L/h. While yeast performance in the fed-batch process was resulted in improvement 37.3%, 75% ethanol formed values (13.75 g/L), and productivity (0.49 g/L/h), respectively. The results indicated that the culture medium supplemented with addition of a few nutrients together with the use of fermentation in fed-batch is a promising for the production of 2G ethanol from sugarcane bagasse hemicellulose hydrolysate.

A ciclodextrina glicosiltransferase [E.C. 2.4.1.19; CGTase] é uma enzima industrialmente importante, usada para produzir ciclodextrinas. Neste trabalho foi utilizado o planejamento experimental e a metodologia de superfície de resposta a fim de identificar as melhores condições para a produção de CGTase pela bactéria alcalófila Bacillus circulans. As melhores condições de temperatura e pH, para a produção de CGTase foram, respectivamente, 36 ºC e 9,7. Em seguida, utilizando estes parâmetros otimizados, a produção de CGTase foi avaliada em cultivos submersos, batelada e batelada alimentada, e em cultivo semi-sólido (CSS), usando um resíduo fibroso de soja (SIFR) como substrato. Nos cultivos em batelada, a atividade máxima de CGTase obtida foi de 1155 U.mL-1, em aerobiose. A produção de CGTase foi bastante influenciada pelo fluxo de ar e pela agitação, sendo que uma alta produtividade enzimática (155 U.(mLh)-1) foi obtida em condições de aeração moderada (400 rpm para a velocidade de agitação e 1,7 vvm para o fluxo de ar). Com estes parâmetros otimizados, a produtividade de CGTase obtida em cultivo em batelada alimentada foi de 137 U.(mLh)-1, com uma taxa de alimentação de 0,17 g.(Lh)-1. O crescimento celular e a síntese de CGTase, usando o resíduo fibroso de soja como substrato apresentou um rendimento de 32.776 U.g(SIFR) -1. As diferentes abordagens utilizadas neste trabalho poderão ser aplicadas para a produção de outras enzimas amilolíticas e também para a produção de CGTase com outros substratos. / Cyclodextrin glycosyltransferase [E.C. 2.4.1.19; CGTase] is an industrially important enzyme, which is used to produce cyclodextrins. In this study we report the use of experimental factorial design and response surface methodology to find the best conditions for CGTase production by alkaliphilic Bacillus circulans. The optimized calculated values for the tested variables were pH 9.7 and temperature 36oC. The CGTase production was further studied with the optimized process parameters on submerged cultivations (SC), batch or fedbatch, and solid-state cultivations (SSC) using soybean industrial fibrous residue (SIFR). The maximum CGTase activity obtained on batch cultivation was 1,155 U.mL-1 under aerobic conditions. The CGTase production was strongly affected by air flow rate and agitation speed, showing high enzyme productivity (155 U.mL-1h-1) under moderate conditions of aeration (400 rpm for speed agitation and 1.7 vvm for air flow rate). With these optimized process parameters, CGTase productivity obtained on fed-batch cultivations was 137 U.mL-1h-1, with feeding rate at 0.17 g.L-1h-1. Cell growth and CGTase synthesis in SSC using soybean industrial fibrous residue as substrate was excellent, with CGTase yield of 32,776 U.g(SIFR) -1. The different approaches used in this study may also find applications for the production of other starch-converting enzymes and also for other CGTase-producing substrates.

No Brasil, vários grupos de pesquisa vêm se empenhando em desenvolver estratégias que visam ao aproveitamento da biomassa vegetal, principalmente biomassa de cana-de-açúcar, para a produção de etanol de segunda geração (2G), o que coloca o País numa posição de destaque no cenário internacional, na busca por alternativas para a produção de energia de forma sustentável e economicamente competitiva. Dentro deste contexto, este trabalho avaliou a obtenção de etanol 2G a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar pela levedura Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124, pela determinação das melhores condições de suplementação do meio de cultivo e das condições operacionais em processo descontínuo e descontínuo alimentado. Na etapa de estabelecimento da suplementação do meio de cultivo foi empregado um planejamento experimental fracionado 29-5 com três repetições no ponto central e um planejamento de mistura. As melhores condições foram (2,0 g/L) extrato de levedura, (0,5 g/L) fosfato de potássio, (0,5 g/L) peptona, (0,5 g/L) sulfato de magnésio e (0,01 g/L) sulfato de zinco. Quanto ao estabelecimento das condições operacionais pHinicial, agitação e vazão de ar em biorreator, utilizou-se um planejamento central composto rotacional com três repetições no ponto central. As melhores condições encontradas foram pHinicial 6,0, agitação 225 rpm e aeração 0,45 vvm obtendo-se um fator de conversão em etanol (YP/S) de 0,23 g/g e produtividade (QP) de 0,18 g/L/h. Posteriormente foram realizados processos de fermentação descontínua e descontínua alimentada empregando-se as melhores condições definidas. No processo descontínuo, observou-se a produção de 9,94 g/L de etanol, correspondendo a valores de QP de 0,28 g/L/h, enquanto a utilização do processo descontínuo alimentado resultou em favorecimento de 37,3%, 75% nos valores de etanol formado (13,75 g/L), QP (0,49 g/L/h), respectivamente. Os resultados indicaram que um meio de cultivo suplementado com adição de poucos nutrientes aliado ao emprego de fermentação em modo descontínuo alimentado é uma estratégia promissora para a produção de etanol 2G a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana. / In Brazil, research groups have been striving to develop strategies aimed at the use of plant biomass, and second generation ethanol has made the country a leader in this area. Energy and sustainability solutions are key to making this technology more competitive to meet the growing demand for biofuels. In this work, the acquisition of 2G ethanol from sugarcane hemicellulose hydrolyzate in culture medium optimized by Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 yeast residue was evaluated. Simple batch and fed batch operational conditions were evaluated for use in bioprocesses. Experiments were performed in Erlenmeyer flasks with medium containing sugarcane bagasse hemicellulose hydrolyzate, which was detoxified using the yeast Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124, in order to optimize the culture medium according to a fractional factorial design of 29-5, with three repetitions at the midpoint, and a mix plan. The best optimized conditions were yeast extract (2.0 g/L), potassium phosphate (0.5 g/L), peptone (0.5 g/L), magnesium sulfate (0.5 g/L) and zinc sulfate (0.01 g/L). Soon after, pHinicial variables, agitation, and air flow rate were optimized in the bioreactor using a central composite rotational design with three repetitions at the midpoint. The best conditions were found with pHinicial at 6.0, agitation at 225 rpm and aeration at 0.45 vvm, which obtained a YP/S of 0.23 g/g and a QP of 0.18 g/L/h. The performance of Scheffersomyces stipitis yeast in a discontinuous fed-batch process with optimized conditions were also evaluated. In the process, the simple batch reached a 9.94 g/L ethanol production a QP of 0.28 g/L/h. While yeast performance in the fed-batch process was resulted in improvement 37.3%, 75% ethanol formed values (13.75 g/L), and productivity (0.49 g/L/h), respectively. The results indicated that the culture medium supplemented with addition of a few nutrients together with the use of fermentation in fed-batch is a promising for the production of 2G ethanol from sugarcane bagasse hemicellulose hydrolysate.

A ciclodextrina glicosiltransferase [E.C. 2.4.1.19; CGTase] é uma enzima industrialmente importante, usada para produzir ciclodextrinas. Neste trabalho foi utilizado o planejamento experimental e a metodologia de superfície de resposta a fim de identificar as melhores condições para a produção de CGTase pela bactéria alcalófila Bacillus circulans. As melhores condições de temperatura e pH, para a produção de CGTase foram, respectivamente, 36 ºC e 9,7. Em seguida, utilizando estes parâmetros otimizados, a produção de CGTase foi avaliada em cultivos submersos, batelada e batelada alimentada, e em cultivo semi-sólido (CSS), usando um resíduo fibroso de soja (SIFR) como substrato. Nos cultivos em batelada, a atividade máxima de CGTase obtida foi de 1155 U.mL-1, em aerobiose. A produção de CGTase foi bastante influenciada pelo fluxo de ar e pela agitação, sendo que uma alta produtividade enzimática (155 U.(mLh)-1) foi obtida em condições de aeração moderada (400 rpm para a velocidade de agitação e 1,7 vvm para o fluxo de ar). Com estes parâmetros otimizados, a produtividade de CGTase obtida em cultivo em batelada alimentada foi de 137 U.(mLh)-1, com uma taxa de alimentação de 0,17 g.(Lh)-1. O crescimento celular e a síntese de CGTase, usando o resíduo fibroso de soja como substrato apresentou um rendimento de 32.776 U.g(SIFR) -1. As diferentes abordagens utilizadas neste trabalho poderão ser aplicadas para a produção de outras enzimas amilolíticas e também para a produção de CGTase com outros substratos. / Cyclodextrin glycosyltransferase [E.C. 2.4.1.19; CGTase] is an industrially important enzyme, which is used to produce cyclodextrins. In this study we report the use of experimental factorial design and response surface methodology to find the best conditions for CGTase production by alkaliphilic Bacillus circulans. The optimized calculated values for the tested variables were pH 9.7 and temperature 36oC. The CGTase production was further studied with the optimized process parameters on submerged cultivations (SC), batch or fedbatch, and solid-state cultivations (SSC) using soybean industrial fibrous residue (SIFR). The maximum CGTase activity obtained on batch cultivation was 1,155 U.mL-1 under aerobic conditions. The CGTase production was strongly affected by air flow rate and agitation speed, showing high enzyme productivity (155 U.mL-1h-1) under moderate conditions of aeration (400 rpm for speed agitation and 1.7 vvm for air flow rate). With these optimized process parameters, CGTase productivity obtained on fed-batch cultivations was 137 U.mL-1h-1, with feeding rate at 0.17 g.L-1h-1. Cell growth and CGTase synthesis in SSC using soybean industrial fibrous residue as substrate was excellent, with CGTase yield of 32,776 U.g(SIFR) -1. The different approaches used in this study may also find applications for the production of other starch-converting enzymes and also for other CGTase-producing substrates.

A ciclodextrina glicosiltransferase [E.C. 2.4.1.19; CGTase] é uma enzima industrialmente importante, usada para produzir ciclodextrinas. Neste trabalho foi utilizado o planejamento experimental e a metodologia de superfície de resposta a fim de identificar as melhores condições para a produção de CGTase pela bactéria alcalófila Bacillus circulans. As melhores condições de temperatura e pH, para a produção de CGTase foram, respectivamente, 36 ºC e 9,7. Em seguida, utilizando estes parâmetros otimizados, a produção de CGTase foi avaliada em cultivos submersos, batelada e batelada alimentada, e em cultivo semi-sólido (CSS), usando um resíduo fibroso de soja (SIFR) como substrato. Nos cultivos em batelada, a atividade máxima de CGTase obtida foi de 1155 U.mL-1, em aerobiose. A produção de CGTase foi bastante influenciada pelo fluxo de ar e pela agitação, sendo que uma alta produtividade enzimática (155 U.(mLh)-1) foi obtida em condições de aeração moderada (400 rpm para a velocidade de agitação e 1,7 vvm para o fluxo de ar). Com estes parâmetros otimizados, a produtividade de CGTase obtida em cultivo em batelada alimentada foi de 137 U.(mLh)-1, com uma taxa de alimentação de 0,17 g.(Lh)-1. O crescimento celular e a síntese de CGTase, usando o resíduo fibroso de soja como substrato apresentou um rendimento de 32.776 U.g(SIFR) -1. As diferentes abordagens utilizadas neste trabalho poderão ser aplicadas para a produção de outras enzimas amilolíticas e também para a produção de CGTase com outros substratos. / Cyclodextrin glycosyltransferase [E.C. 2.4.1.19; CGTase] is an industrially important enzyme, which is used to produce cyclodextrins. In this study we report the use of experimental factorial design and response surface methodology to find the best conditions for CGTase production by alkaliphilic Bacillus circulans. The optimized calculated values for the tested variables were pH 9.7 and temperature 36oC. The CGTase production was further studied with the optimized process parameters on submerged cultivations (SC), batch or fedbatch, and solid-state cultivations (SSC) using soybean industrial fibrous residue (SIFR). The maximum CGTase activity obtained on batch cultivation was 1,155 U.mL-1 under aerobic conditions. The CGTase production was strongly affected by air flow rate and agitation speed, showing high enzyme productivity (155 U.mL-1h-1) under moderate conditions of aeration (400 rpm for speed agitation and 1.7 vvm for air flow rate). With these optimized process parameters, CGTase productivity obtained on fed-batch cultivations was 137 U.mL-1h-1, with feeding rate at 0.17 g.L-1h-1. Cell growth and CGTase synthesis in SSC using soybean industrial fibrous residue as substrate was excellent, with CGTase yield of 32,776 U.g(SIFR) -1. The different approaches used in this study may also find applications for the production of other starch-converting enzymes and also for other CGTase-producing substrates.

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No. of bitstreams: 1 TeseLJC.pdf: 3758058 bytes, checksum: 4551fb3e08abee5796d1f863288fd5ae (MD5) Previous issue date: 2016-02-04 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / In this work it was evaluated, firstly, the performance of four impellers configurations in the enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse. The configurations evaluated were: (1): Rushton turbine - Rushton turbine; (2): Elephant ear down-pumping and Rushton turbine; (3): Rushton turbine and Elephant ear up-pumping; (4): Elephant ear downpumping and Elephant ear up-pumping. The choice of the best impeller configuration was based in mixing efficiency, characterized by the mixing time. The configurations were also evaluated considering the conversion of cellulose to glucose, power consumption as well as the rheological behavior during hydrolysis. The hydrolysis experiments were carried out in batch stirred tank reactor (3 L) using 10% w/v of solids (pH 4.8; 50°C; 470 rpm), 10 FPU· g-1 biomassa for 96 h. The configuration (4) showed the lowest mixing time and energy efficiency values (ratio of conversion of cellulose to glucose and total energy consumption) of 78.9%·MJ-1. Further, to get a high concentration of glucose associated with low power consumption, it was investigated two operating modes: batch and fed-batch. The strategies evaluated were: E1 [20%]; E2 [10(E)+5+5%]; E3 [5(E)+5+5+5%]; E4 [5(E)+5+5+5%], and E5 5(E)+5(E)+5(E)+5(E)%]. The best energy efficiency was obtained for the E5 strategy in which substrate and enzyme were added simultaneously (0.35 kgglicose·kWh-1). This value was 52% higher than that obtained in the single batch operation (E1). In continuation of the work were carried out enzymatic hydrolysis of exploded and hydrothermal bagasse and cane straw submitted to hydrothermal pretreatment. The experiments were carried out under the conditions: solids loading of 10 (w/v), pH 4.8; 50 ° C; 470 rpm and 10 FPU·g-1 biomass for 96 h. The efficiency obtained in the enzymatic hydrolysis of steam explosion sugarcane bagasse proved to be 41 and 46% higher than the hydrolysis of hydrothermally pretreated sugarcane straw and bagasse, respectively. Finally, a scale-up protocol with a scale factor equal to 1000 was proposed. It was analyzed the maintenance of two parameters on larger scale: the constancy of the mixing time (tm) and the constancy of the power consumption per unit volume (P/V). In turn, maintenance P/V parameter constant, the mixing time and the new scale power consumption (3000L) were approximately 4 and 1000 times higher, respectively, than those values obtained in the smaller scale (3L). / Neste trabalho avaliou-se, primeiramente, o desempenho de quatro configurações de impelidores na hidrólise enzimática do bagaço explodido de cana-de-açúcar. As configurações avaliadas foram: (1): turbina Rushton – turbina Rushton; (2): Elephant ear down-pumping e turbina Rushton; (3): turbina Rushton e Elephant ear up-pumping; (4): Elephant ear down-pumping e Elephant ear up-pumping. A escolha da melhor configuração de impelidores foi baseada na eficiência de mistura, caracterizada pelo tempo de mistura. As configurações também foram avaliadas considerando a conversão de celulose em glicose, o consumo de potência, bem como o comportamento reológico durante a hidrólise. Os experimentos de hidrólise em batelada foram realizados em reator tipo tanque agitado (3 L) utilizando 10% m/v de sólidos (pH 4,8; 50°C; 470 rpm), 10 FPU·g-1 biomassa por 96 h. A configuração (4) apresentou os menores valores de tempo de mistura e uma eficiência energética de 78,9 %·MJ-1. Com o intuito de obter-se alta concentração de glicose associada a um baixo consumo de potência, investigou-se dois modos de operação: batelada e batelada alimentada. As estratégias avaliadas foram: E1 [20%]; E2 [10(E)+5+5%]; E3 [5(E)+5+5+5%]; E4 [5(E)+5+5+5%] e E5 [5(E)+5(E)+5(E)+5(E)%]. Os melhores resultados foi obtido na estratégia E5, obtendo uma eficiência energética de 0,35 kgglicose∙kWh-1. Este valor foi 52% maior do que o obtido na operação em batelada simples (E1). Na continuação do trabalho, foi realizada a hidrólise enzimática do bagaço explodido e hidrotérmico e a palha de cana submetida ao pré-tratamento hidrotérmico. Os experimentos foram realizados em um reator de 3 L nas seguintes condições: carga de sólidos de 10% m/v (pH 4,8; 50°C, 470rpm ) e 10 FPU·g-1 biomassa por 96 h. A eficiência energética obtida na hidrólise do bagaço explodido mostrou-se 41 e 46 % superior aos pré-tratados de bagaço e palha hidrotermicamente, respectivamente. Finalmente, foi proposto um protocolo de aumento de escala com um fator de escala igual a 1000. Analisou a manutenção de dois parâmetros na escala maior: tempo de mistura (tm) e do consumo de potência por unidade de volume (P/V). Com a manutenção do parâmetro P/V constante, o tempo de mistura e consumo de potência da nova escala (3000L) foram aproximadamente 4 e 1000 vezes maiores, respectivamente, do que o obtido na escala menor escala (3L). / FAPESP: 2011/23807-1

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2531.pdf: 1826513 bytes, checksum: 1b4aeefe4e23520d603b495bbd0b8832 (MD5) Previous issue date: 2009-04-03 / Universidade Federal de Sao Carlos / Using recombinant DNA techniques, the lipase BTL2 gene of Bacillus thermocatenulatus was cloned in E. coli BL321 under control of the strong temperature-inducible λPL promoter. It was investigated, initially, in this work, the influence of different variables in cell growth and expression of lipase BTL2 by recombinant E. coli, through experiments performed in agitated flasks with LB medium. First, it was studied the influence of temperature of growth (between 27 ° C and 34.2 °C) and heat shock temperature (between 37.8 °C and 46.2 °C) in the expression of lipase BTL2 by E. coli recombinant, using statistical design of experiments. The results of this study, where the shock was performed in the early exponential phase, indicated as the best Tcresc = 27 °C and Tchoque = 45 °C, yielding cellular concentration of 0.6 g dry weight / L and enzyme activity of 121.000 U/g.wet.cel. Then, it was investigated the influence of the growth phase of the microorganism at the shock, through cultures with Tcresc = 27 °C and Tchoque = 45 °C, the results of these experiments showed how heat shock condition at the end of exponential phase, resulting in activity of 258.000 U/g.wet.cel It investigated the influence of different initial concentrations of glucose in the medium on cell growth and expression of the enzyme. The best results were obtained from cell mass with 10 g/L glucose and μmax = 0,16 h-1, Yx/s = 0,19 g/g, resulting in 1.2 g / L dry cel, enzymatic activity of about 250.000 U / g.wet.cel. Lower concentrations of glucose and higher concentrations led to smaller cell, but did not affect enzyme activity in the final. Based on previous cultures of E.coli were conducted simulations to calculate the best condition for feed-batch. The experimental test was performed with 10 g/L glucose at the beginning of cultivation, Tcresc = 30 °C, Tchoque = 45 °C. In this test, we were able to achieve 15 g/L dry.cel μmax = 0,38 h-1 with enzyme activity of 231.000 U/g.wet.cel, with resulting in 100 times more enzyme in this test than in cultivation in shaker in the best condition. The results of the simulation, obtained using model of Monod, predicted quite well those obtained experimentally. There was no significant accumulation of organic acids and all aminoacids consumed by the moment of shock. From the heat shock, those who were not exhausted with concentration remained constant. The enzyme produced in the test batch was recovered by breaking the cells in a French press to obtain with this methodology 272.000 U/g wet cells, whereas the results of the samples, which were disrupted by sonication resulted in much lower value. Was then investigated the efficiency of the protocol of sonication that was being used, by subjecting the cells to successive rounds of sonication. The results showed that actually the first cycle only 50% of the enzyme was released, indicating that the maximum production achieved was actually around 462.000 U/gcél.úmida. Study characterization of enzyme kinetics showed that the temperature of maximum activity is 65 °C with activation energy equal to 142.3 kJ/mol. Study of stability in solvent showed that the enzyme retains activity in the presence of 2- propanol. / Utilizando técnicas de DNA recombinante, o gene da lípase BTL2 de Bacillus thermocatenulatus foi clonado em E. coli BL321 sob controle do promotor λPL, com o qual a indução na produção da enzima é obtida através de choque térmico. Investigou-se, inicialmente, neste trabalho, a influência de diferentes variáveis no crescimento celular e na expressão da lípase BTL2 por E.coli recombinante, através de experimentos realizados em frascos agitados, com meio LB. Primeiramente, estudou-se a influência da temperatura de crescimento (entre 27°C e 34,2°C) e da temperatura de choque térmico (entre 37,8°C e 46,2°C) na expressão de BTL2 por E.coli recombinante, usando planejamento estatístico de experimentos. Os resultados desse estudo, onde o choque era realizado no início da fase exponencial, indicaram como as melhores temperaturas Tcresc=27°C e Tchoque=45°C, obtendose concentração celular de 0,6 g massa seca/L e atividade enzimática de 121.000U/gcél.úmida. A seguir, foi investigada a influência da fase de crescimento do microrganismo no momento do choque, através de cultivos com Tcresc=27°C e Tchoque =45°C, os resultados desses experimentos indicaram como melhor condição choque térmico no final da fase exponencial, obtendo-se nessa condição atividade de BTL2 de 258.000U/gcél. Úmida. Investigou-se assim a influência de diferentes concentrações iniciais de glicose no meio de cultivo no crescimento celular e expressão da enzima. Os melhores resultados de massa celular foram obtidos com 10g/L de glicose, obtendo-se 1,2 g/L de massa seca, μmax = 0,16 h- 1, Yx/s=0,19 g/g e atividade enzimática em torno de 250.000 U/gcél, úmida. Concentrações de glicose menores e maiores conduziram a menores concentrações celulares, mas não influenciaram na atividade enzimática final. Baseando-se em cultivos anteriores de E.coli foram realizadas simulações para cálculo de alimentação de meio em ensaio em batelada alimentada. O ensaio experimental foi realizado com 10 g/L de glicose no início do cultivo, Tcresc=30°C, Tchoque=45°C. Nesse ensaio, conseguiu-se atingir 15 g/L de massa seca, com μmax =0,38 h-1 e com atividade enzimática de 231.000 U/gcel.úmida, obtendo-se 100 vezes mais enzima nesse ensaio do que no cultivo em frasco agitado na melhor condição. Os resultados da simulação, obtidos usando modelo de Monod, previram bastante bem os obtidos experimentalmente. Não se observou acúmulo significativo de ácidos orgânicos e todos os aminoácidos.eram consumidos até o momento do choque. A partir do choque térmico, aqueles que não estavam esgotados permaneceram com concentração constante. A enzima produzida no ensaio em batelada foi recuperada rompendo-se as células em uma prensa francesa, obtendo-se com essa metodologia 272.000 U/g cel úmida, enquanto que os resultados das amostras , que eram rompidas por sonicação resultaram em valor muito menor. Investigou-se então a eficiência do protocolo de sonicação que vinha sendo utilizado, submetendo-se as células a sucessivos ciclos de sonicação. Os resultados mostraram que realmente no primeiro ciclo apenas 50% da enzima era liberada, o que indica que a máxima produção obtida estava na verdade em torno de 462.000U/gcél.úmida.Estudo de caracterização cinética da enzima mostrou que a temperatura de máxima atividade é 65°C, com energia de ativação igual a 142,3 kJ/mol. Estudo de estabilidade em solvente mostrou que a enzima mantém atividade na presença de 2-propanol.

Researches are done with the aim of select yeast strains that plays a differentiated role in the process of alcoholic fermentation, with the purpose of improve the performance in the ethanol production and decrease the productions costs. In this work it was studied the application of Saccharomyces cerevisiae yeasts with flocculent features in fed batch reactor. It was evaluated the fermentative capacity of six strains of flocculent yeasts. The yeast C2/00 was involved in higher productivity and yield in ethanol compared to other yeasts tested. After it was studied the alcoholic fermentation in fed batch reactor using the yeast C2/00. The fermentations were performed at 32°C and initial pH adjusted in 4.5. The process was optimized in sucrose concentration of 170 g/L, cell concentration in the inoculum of 40% (v/v) and filling time of 6 hours, it is obtaining a yield of 92.20% in relation to the theoretical one, productivity of 6.01 g/L.h and residual sucrose of 42.84 g/L in 10.5 hours of fermentative process. It was studied the influence of cells recirculation during the fermentative process and the influence of initial concentration of ethanol and substrate in inoculum on the fed batch process with the aim of improve the productivity and reduce the residual sugar. From of this study it was obtained 92.75% of yield, 9.26 g/L.h of productivity, 2.9 g/L of residual sucrose concentration and the ethanol concentration produced was 83.37 g/L in 9 hours of fermentative process. The inhibition by the substrate and product model to the kinetics of alcoholic fermentation was proposed. The parameters of model were calculated by means of nonlinear adjust to the experimental results of growth of yeast, substrate consumption and formation of product to the batch reactor. The maximum specific speed of growth was 0.103 h-1 with KI and Ks equal to 109.86 and 30.24 g/L, respectively. With the experimental results of fed batch reactor and fed batch with recycle, it can be noted a good fit to the model proposed, resulting in a maximum specific velocity of growth of 0.080 h-1 to the process in fed batch without recycle and 0.182 h-1 to the fed batch process with recycle of fermentative media. The ethanol concentration in which the production of it is completely inhibited (P max) was 110 gethanol /L , approximately 13.92% (v/v). For the result of maximum concentration of product that inhibits fully the microorganisms growth (Pmax) was 12% (v/v), corresponding to 94.8 g/L of ethanol. The specific velocity of sedimentation (SVS) to the yeast C2/00 in pH 5 was 0.240 min-1 and the sedimentation rate of the test beaker was 0.444 cm/min. The alcoholic fermentation, using the flocculent yeast Saccharomyces cerevisiae in fed batch reactor with recycle of fermentative media provided higher productivity and yields when compared to the reported data by literature, in which used batch reactor or fed batch without recycle of fermentative media. / Com o objetivo de melhorar o desempenho na produção de etanol e diminuir os custos de produção, pesquisas são realizadas no intuito de selecionar linhagens de leveduras que vêm sendo diferenciadas no processo de fermentação alcoólica. Neste trabalho estudou-se a aplicação de leveduras Saccharomyces cerevisiae com características floculantes em reator batelada alimentada. Avaliou-se a capacidade fermentativa de seis cepas de leveduras floculantes. A levedura C2/00 foi a gerou maiores produtividade e rendimento em etanol em comparação às outras leveduras testadas. Posteriormente, estudou-se a fermentação alcoólica em processo batelada alimentada utilizando a levedura C2/00. As fermentações foram realizadas a 32°C e pH inicial ajustado em 4,5. O processo foi otimizado com concentração de sacarose de 170 g/L, concentração celular no inóculo de 40% (v/v) e tempo de enchimento de 6 horas, obtendo-se um rendimento de 92,20% em relação ao teórico, produtividade de 6,01 g/L.h e sacarose residual de 42,84 g/L em 10,5 horas de processo fermentativo. Com o intuito de melhorar a produtividade e reduzir o açúcar residual foi estudada a influência da recirculação de células durante o processo fermentativo e a influência da concentração inicial de etanol e substrato no inóculo no processo em batelada alimentada. A partir deste estudo obteve-se 92,75% de rendimento, 9,26 g/L.h de produtividade, 2,9 g/L de concentração de sacarose residual e a concentração de etanol produzido foi de 83,37 g/L em 9 horas de processo fermentativo. Foi proposto o modelo de inibição pelo substrato e produto para a cinética da fermentação alcoólica. Os parâmetros do modelo foram calculados por meio de ajuste não linear aos resultados experimentais de crescimento de leveduras, consumo de substrato e formação de produto para o reator batelada. A velocidade específica máxima de crescimento foi de 0,103 h-1 com KI e Ks iguais a 109,86 e 30,24 g/L, respectivamente. Com os resultados experimentais do reator batelada alimentada e batelada alimentada com reciclo, constatou um bom ajuste do modelo proposto, resultando em uma velocidade específica máxima de crescimento de 0,080 h-1 para o processo em batelada alimentada sem reciclo e 0,182 h-1 para o processo batelada alimentada com reciclo de meio fermentativo. A concentração máxima de etanol na qual a produção do mesmo foi completadamente inibida (P máx) foi de 110 getanol /L , aproximadamente 13,92% (v/v). No entanto a concentração máxima de produto que cessa totalmente o crescimento do micro-organismo (Pmáx) foi de 12% (v/v), correspondendo a 94,8 g/L de etanol. A velocidade específica de sedimentação (VES) para a levedura C2/00 em pH 5 foi de 0,240 min-1 e a velocidade de sedimentação pelo teste da proveta foi de 0,444 cm/min. A fermentação alcoólica, utilizando a levedura floculante Saccharomyces cerevisiae em reator batelada alimentada com reciclo de meio fermentativo forneceu maior produtividade e rendimentos quando comparados a dados reportados pela literatura, nos quais utilizaram reator batelada ou batelada alimentada sem reciclo de meio fermentativo. / Doutor em Engenharia Química

Avaliou-se o desempenho do reator anaeróbio em batelada seqüencial com biomassa imobilizada (ASBBR) no tratamento de soro de queijo quanto submetido a diferentes estratégias de alimentação e cargas orgânicas volumétricas (COV). O reator operou com agitação mecânica através de impelidor do tipo hélice na rotação de 500 rpm. Um volume de 2 litros foi alimentado por ciclo com 1 litro de volume residual, totalizando 3 litros. O substrato utilizado foi soro de queijo desidratado reconstituído. Suplementou-se o sistema com NaHCO3 na razão de 50% NaHCO3/DQO. Foram testadas as seguintes COVs: 2, 4, 8 e 12 gDQO/l.d. Para ciclos de 8 horas e em cada COV, três estratégias de alimentação foram testadas: (a) operação em batelada com ciclo de 8 horas, (b) batelada alimentada de 2 horas (c) batelada alimentada de 4 horas. Na COV de 2 gDQO/l.d, a conversão de matéria orgânica como DQO em amostras filtradas foi de 92, 96 e 91% para as estratégias de alimentação (a), (b) e (c), respectivamente. Para a COV de 4 gDQO/l.d, o desempenho foi de 94, 97 e 93%, respectivamente. Para a COV de 8 gDQO/l.d houve redução nas eficiências de conversão a 83, 85 e 86%, respectivamente. O aumento da COV para 12 gDQO/l.d, resultou na redução em eficiências de 72, 73 e 81%, respectivamente. Os perfis durante os ciclos da concentração de ácidos voláteis totais mostraram que, apesar do aumento gradual com o tempo de enchimento aumentando, nenhuma diferença significativa foi detectada em termos dos seus valores máximos. Foi observada a redução de ácido propiônico como conseqüência do aumento do tempo de enchimento. Assim, para COV de 2 e 4 gDQO/l.d, a estratégia de alimentação (b) proporcionou maiores eficiências de conversão e estabilidade operacional, enquanto que este comportamento foi observado na estratégia de alimentação (c) para os valores de COV de 8 e 12 gDQO/l.d. / The performance of an anaerobic sequencing batch biofilm reactor (ASBBR) treating cheese whey was evaluated when subjected to different feeding strategies and volumetric organic loads (VOL). The reactor operated under mechanical stirring provided by helix impellers at rotor speed of 500 rpm. A volume of 2 l was fed per cycle with 1 l of residual volume, totalizing 3 l. Reconstituted dehydrated cheese whey was used as substrate. NaHCO3 was supplemented at a ratio of 50% NaHCO3/COD. The following VOLs were tested: 2, 4, 8 and 12 gCOD/l.d. For 8-h cycles and each value of VOL three feed strategies were tested: (a) batch operation with 8-h cycle; (b) 2-h fed-batch operation; and (c) 4-h fed-batch. In the VOL of 2 gCOD/l.d, organic matter conversions as COD were 92, 96 and 91%, for feeding strategies (a), (b) and (c), respectively. For the VOL of 4 gCOD/l.d, performance values were 94, 97 and 93%, respectively. For the VOL of 8 gCOD/l.d there was a reduction in conversion efficiency to 84, 85 and 86%, respectively. The increase of VOL to 12 gCOD/l.d resulted in the reduction in efficiency of 78, 73 and 81%, respectively. The profiles of total volatile acids concentration obtained during the cycles showed that despite its gradual increase with the increasingly filling time, no significant differences were detected in terms of maximum values. Reduction in proprionic acid concentration along the cycle were observed as consequence of the increase of the filling time. Thus, for VOL of 2 and 4 gCOD/l.d feeding strategy (b) provided higher conversion efficiency and operation stability. This behavior was similar to that observed for the feeding strategy (c) at the VOL of 8 and 12 gCOD/l.d.

Um reator anaeróbio tratando esgoto sintético de baixa concentração de matéria orgânica (500 mgDQO/L-1) e enriquecido com diferentes concentrações de sulfato (razões DQO/[SO4-2] de 1,34, 0,67 e 0,34) foi submetido à diferentes estratégias de alimentação (batelada e batelada alimentada de 3 h e de 6 h). O reator operou com capacidade de 4,0 L e tratou por ciclo de 8 h um volume de 2,0 L de esgoto sintético. Desta forma, executaram-se 9 condições diferentes que foram submetidas à análise com o objetivo de investigar a influência do tempo de alimentação e da razão DQO/[SO4-2] no desempenho do sistema. A temperatura do reator foi constante em 30 ± 1°C e a agitação mecânica foi fixada em 400 rpm. Como suporte para a imobilização da biomassa foram utilizados cubos de espuma de poliuretano. Os resultados obtidos demonstraram que a operação em batelada alimentada de 3 h com uma razão DQO/[SO4-2] de 0,34 apresentou as melhores condições para a remoção de matéria orgânica (89%). Quanto à remoção de sulfato observou-se uma estagnação neste mesmo modo de operação ao aumentar a concentração de sulfato no afluente, enquanto que na operação com alimentação em batelada alimentada de 6 h, a carga de sulfato removida (CSR) cresceu linearmente. Assim, a maior carga de sulfato removida foi registrada durante o ensaio em batelada alimentada de 6 h com uma razão DQO/[SO4-2] de 0,34, no qual foram removidos 0,55 g SO4-2(L.d). Com uma razão DQO/[SO4-2] de 1,34 e um tempo de enchimento de 6 h, o reator apresentou o melhor desempenho em termos de eficiência de remoção de sulfato (71%). Em todos os ensaios o reator apresentou estabilidade, com uma produção alta de alcalinidade a bicarbonato e a concentração de ácidos voláteis se manteve em níveis adequados. / An anaerobic sequencing batch reactor treating synthetic low strength wastewater (500 mgCOD/L-1) enriched with different sulfate concentrations (COD/[SO42] ratios of 1,34, 0,67 and 0,34) was operated at different fill times (batch mode and sequencing batch mode of 3 h and 6 h fill time). The reactor operated with a capacity of 4,0 L and treated per 8-h cycle 2,0 L of synthetic wastewater. Thus, 9 different configurations resulted from this configuration and were submitted under analyses with the objective to investigate the influence of each of those parameters on the performance of the system. The reactor was operated at a constant temperature of 30 ± 1°C and an mechanical agitation rate of 400 rpm. Cubic particles of polyurethane were used as support material for anaerobic biomass immobilization. The results showed that operating the reactor with a fill time of 3 h and a COD/[4-2] ratio of 0,34 was the most eficient strategy for COD removal (89%). During the same operation mode (3 h fill time) sulfate removal seemed to suffer stagnation due to the increasing sulfite concentation in the reactor, whereas with a fill time of 6 h the sulfate load removal increased linerally with increasing sulfate load. So the biggest removal, in terms of volumetric sulfate load, was obtained operating the reactor in sequencing batch mode with a fill time of 6 h and a COD/[4-2] ratio of 0,34. During this test the reactor removed 0,55 gSO4-2/(L.d) of 2,29 gSO4-2/(L.d) applied on the system. Operating at a COD/[SO4-2] ratio of 1,34 and a fill time of 6 h the reactor obtained the best results in terms of sulfate removal efficiency, with 71% of the sulfate removed from the system. In the entire period of analisis the reactor showed stability with a suficient production of alkalinity to maintain the concentration of volatil acids in adequate levels.