Submitted by Vinicius de Godoi Contessoto null (vinicius@sjrp.unesp.br) on 2016-09-09T18:11:23Z No. of bitstreams: 1 Tese-Vinícius_Contessoto-Final.pdf: 17297320 bytes, checksum: f601c338b5bf6436dc595bad581418f5 (MD5) / Approved for entry into archive by Juliano Benedito Ferreira (julianoferreira@reitoria.unesp.br) on 2016-09-13T13:26:05Z (GMT) No. of bitstreams: 1 contessoto_vg_dr_sjrp.pdf: 17297320 bytes, checksum: f601c338b5bf6436dc595bad581418f5 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-13T13:26:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 contessoto_vg_dr_sjrp.pdf: 17297320 bytes, checksum: f601c338b5bf6436dc595bad581418f5 (MD5) Previous issue date: 2016-08-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Entender a contribuição das interações eletrostáticas no processo de enovelamento e na estabilidade do estado nativo de proteínas é de grande relevância em biofísica molecular. Este trabalho possui duas frentes de estudos. Na primeira etapa é apresentado o estudo das interações eletrostáticas no processo de enovelamento utilizando modelos baseados em estruturas com cargas em dinâmica molecular com pH constante. O estudo foi realizado na parte N-terminal da proteína ribossomal L9 (NTL9), uma proteína com o mecanismo de enovelamento de 2 estados, reversível e realizado desde pH 1.0 até 12.0. Foi possível comparar os resultados das simulações com os resultados experimentais presentes na literatura e os dados obtidos indicam que o modelo proposto é capaz de capturar informações fundamentais sobre o processo de enovelamento referentes à estabilidade e dependência com pH. Na segunda etapa é apresentado o estudo sobre as interações eletrostáticas na estabilidade de enzimas com interesse na produção de bioetanol de segunda geração. O objetivo final deste trabalho é adequar as enzimas às condições do reator para a produção de bioetanol. Neste trabalho foi utilizada uma metodologia capaz de indicar possíveis mutações, pela otimização da interação carga–carga na superfície da proteína, que levam ao aumento de termostabilidade. Este trabalho conta com a colaboração do grupo experimental do Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE) que realizam os testes experimentais e as validações das mutações propostas. / The understanding of electrostatic interactions in protein folding process and in native state stability is important to molecular biophysics area. This work has two areas of interest. At first step it is presented the study about electrostatic interactions in the protein folding process using structure-based models in a constant pH molecular dynamics. It was used the N-terminal domain of ribosomal protein L9 (NTL9), which folding mechanism is a two-state pathway, fully reversible and foldable in a pH range from 1.0 to 12.0. The simulation results were compared with experimental results from literature and the obtained data indicates that the proposed model is capable of capturing essential features of folding mechanism about stability and pH dependence. At second step, it is presented the study about electrostatic interactions in stability of enzymes related with second generation bioethanol production. The final goal of this work is to adjust the enzymes to reactor conditions of bioethanol production. It was employed a method that can suggest rational mutation, based on optimization of charge-charge interactions, that leads to thermostability increase. This work can count on the collaboration of an experimental group of Brazilian Bioethanol Science and Technology Laboratory (CTBE) that performs the wet lab tests and validates the suggested mutations.

En esta Tesis se presentan metodologías que incluyen análisis de sensibilidad global, modelado y optimización dinámica, para el estudio de procesos que se llevan a cabo en sistemas de reacción biológicos, tales como biorreactores para la obtención de etanol y lagunas de tratamiento biológico de aguas residuales. Para ello se utilizan modelos cinéticos fuertemente integrados y dinámicos, de creciente complejidad, representados por sistemas de ecuaciones diferenciales y algebraicas. Los modelos cinéticos presentan un elevado número de parámetros que están involucrados en funciones altamente no lineales. Dichos parámetros tienen asociada incertidumbre que resulta, por ejemplo, de errores de medición y pueden influenciar los valores de las variables de estado. Por esta razón, es importante identificar los parámetros a los que las variables de estado son más sensibles, mediante análisis de sensibilidad. Se propone la implementación del análisis de sensibilidad global, basado en la descomposición de la varianza, aplicado a modelos dinámicos de biorreactores para la producción de bioetanol y del sistema de lagunas de estabilización. Este análisis se basa en la metodología propuesta por Sobol’ y permite obtener perfiles temporales de índices de sensibilidad de primer orden, total y de interacción entre parámetros, lo cual es útil para comprender complejas relaciones entre los parámetros y las variables del modelo. Además, se analizan diferentes estimadores de la varianza condicional, siendo el de Jansen el más adecuado para modelos más complejos proporcionando mejores resultados. La finalidad del estudio es determinar cuáles son los parámetros más importantes y que deben ser estimados con mayor precisión en forma experimental, para tener un modelo ajustado que pueda proveer predicciones confiables ante cambios en las condiciones de operación, tanto en sistemas de biorreactores de producción de etanol como de lagunas de estabilización. Posteriormente, se procede al diseño óptimo de un sistema de lagunas de estabilización para el tratamiento de aguas residuales. El desempeño de estos sistemas es comparable al de los barros activados, aunque el requerimiento de espacio es una condición limitante para su empleo. El diseño se realiza planteando un problema de programación mixto entera no lineal sobre una superestructura que considera tres tipos de lagunas (aeróbica, facultativa y anaeróbica) con la posibilidad de reciclo, lo que permite obtener la configuración óptima para cumplir con el objetivo de minimizar los costos del sistema con la restricción de que la carga orgánica del efluente sea inferior al valor establecido por las regulaciones ambientales. Finalmente, se implementan estrategias de manejo de las lagunas de tratamiento como problemas de optimización dinámica, donde se proponen como variables de control el agregado de nutrientes, esenciales para el desarrollo de los procesos biológicos, y la potencia que se debe proporcionar a los aireadores para asegurar una oxigenación dentro de las lagunas. / In this Thesis, several methodologies that include global sensitivity analysis, modeling and dynamic optimization are presented to deepen the knowledge on processes which take place in biologic reaction systems, such as bioreactors for ethanol production and wastewater treatment ponds. These models are based on dynamic and highly integrated kinetic models based on first principles, which are represented by differential algebraic equations systems. Kinetic models have a large number of parameters embedded in nonlinear functions. These parameters may have a certain degree of uncertainty due, for example, to measurement errors, and can influence the values of the state variables. Sensitivity analysis provides a mean to detect and rank the importance of parameters in a model. In particular, global sensitivity analysis is applied to a dynamic model, based on the variance decomposition using Sobol's method. This allows the calculation of first order, total and interaction indices for each parameter, which are useful to understand complex relationships between parameters. Several variance estimators are considered, being Jansen's the most appropriate for complex models, yielding the best results. As a result of this study, parameters can be ranked by importance and then experiments can be designed to find with the best precision those parameters that produce the largest impact on the prediction of state variables of the model. Furthermore, the design of stabilization ponds systems for wastewater treatment is addressed through the formulation of a mixed integer nonlinear programming problem over a supestructure which considers three types of lagoons (aerobic, anaerobic and facultative), including recycle streams. The objective function is total cost minimization, subject to constraints on the maximum legally allowed organic load. Finally, several strategies are proposed for the management of stabilization pond systems within a dynamic optimization environment, where the control variables are nutrient addition rate along the time horizon and aerators power for a suitable oxygen concentration, where required.

Submitted by Caroline Periotto (carol@ufscar.br) on 2016-09-21T20:12:40Z No. of bitstreams: 1 TeseFFF.pdf: 5653411 bytes, checksum: 875bb8d2ed23313c792c9c246e285a85 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:31:05Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseFFF.pdf: 5653411 bytes, checksum: 875bb8d2ed23313c792c9c246e285a85 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:31:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseFFF.pdf: 5653411 bytes, checksum: 875bb8d2ed23313c792c9c246e285a85 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-23T18:31:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseFFF.pdf: 5653411 bytes, checksum: 875bb8d2ed23313c792c9c246e285a85 (MD5) Previous issue date: 2016-03-18 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Lignocellulosic ethanol, also called second generation ethanol, is a promising alternative for decreasing fossil fuel dependency globally. Nevertheless, its production process still needs further improvements in order to achieve industrial feasibility. Despite the massive experimental effort in this area, threshold values to be pursued in order to attain an economically feasible process are still missing. In this context, this study focused on constructing a methodology for economic evaluation of early-stage developing processes, such as second generation ethanol, aiming to show the R&D area directions to be followed for a successful industrial implementation of the process. The systematic procedure integrates bioprocess systems engineering (PSE) and economic engineering tools to perform a “retro” tecno-economic analysis. This analysis is able to identify the main process variables that influence the economic feasibility of the process and their target values. Initially, the methodology was tested on a case study involving the production of succinic acid from sucrose by fermentation. The methodology was able to eliminate one of the variables initially considered (sucrose conversion), due to its low influence on the process feasibility. Additionally, target values were obtained for the succinic acid concentration in the fermenter as a function of the selectivity and the specific productivity (the process variables chosen). Finally, the integrated production of ethanol from sugarcane juice and bagasse (first and second generation ethanol, respectively) was assessed. The three variables with the highest effect on the economic feasibility of the process were: the biocatalyst yield, the sucrose conversion and the solid mass fraction, both in the hydrolysis reactor. The reactor productivity, on the other hand, had little impact on the process feasibility. Besides, the experimental results already achieved the values needed for this variable. In general, the methodology was able to yield important information about both case studies required improvements for achieving economic feasibility. Although used in biochemical processes, the methodology is general, applying to all types of chemical processes. / A produção de etanol lignocelulósico, o chamado etanol de segunda geração, é uma alternativa promissora para diminuir a dependência energética global dos combustíveis fósseis. Entretanto, um desenvolvimento maior de seu processo de produção ainda é necessário para sua efetiva implementação industrial. Apesar do grande esforço experimental na área, ainda não existem informações claras sobre os valores limites a serem alcançados nas diversas etapas de processo para que esse se torne economicamente viável. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi construir uma metodologia para avaliação econômica de processos em estágio inicial de desenvolvimento, como é o caso do etanol de segunda geração, indicando à área de P&D direções a serem seguidas para sua viável implementação industrial. Tal procedimento sistemático integra ferramentas de engenharia de bioprocessos e sistemas e engenharia econômica para realizar uma análise tecno-econômica “reversa”, que permite obter as variáveis que mais influenciam a viabilidade do processo, bem como seus valores limites para que tal viabilidade seja alcançada. Inicialmente, a metodologia proposta foi testada em um estudo de caso envolvendo o processo de produção de ácido succínico a partir da sacarose por rota fermentativa. Nesse processo, a metodologia conseguiu eliminar uma das variáveis inicialmente consideradas (a conversão da sacarose), devido a sua baixa influência. Além disso, foram obtidos valores mínimos para a concentração de ácido succínico no fermentador em função da seletividade e da produtividade específica (as variáveis de processo escolhidas). Em seguida, considerou-se a produção integrada de etanol a partir do caldo e do bagaço de cana-de-açúcar, etanol de primeira e segunda geração, respectivamente. As três variáveis com maior impacto na viabilidade econômica do processo foram: o rendimento do biocatalisador, a conversão da celulose no reator de hidrólise e a fração de sólidos nesse reator. A produtividade do reator, por outro lado apresentou baixo impacto na viabilidade, além de os resultados experimentais já estarem no patamar necessário para essa variável. De modo geral, a metodologia foi aplicada com sucesso aos estudos de caso escolhidos, produzindo dados importantes quanto às melhorias necessárias para que os processos alcancem a viabilidade econômica. Apesar de ter sido aplicada a bioprocessos, a metodologia é geral, sendo adequada ao estudo econômico de qualquer processo químico.

The theoretical part of work is focused on the issue of biomass which can be used for energy purposes, inparticular agricultural waste, as well as can serve as a substrate for biogas station. It also deals with proteomics, its goals and approaches, separation methods. The aim of this work was to measure each sample of enzyme activity of biomass, which are used as a raw materials for biogas plants and their proteomic identification.