The GE Healthcare Life sciences organization develop and manufacture bioreactors, mixers, filtration skids and chromatography systems used together in a biomanufacturing platform. The platform is monitored and controlled by a distributed control system through a Programmable Logic Controller (PLC). The automation software controlling the platform is today tested and verified together with the physical units. The software use PROFIBUS, an industry standard for industrial automation, for communication and control of the units. Limited access to the physical units is usually a bottleneck and it's difficult to test abnormal situations to make sure the correct alarms are triggered. To reduce the hardware dependency and to provide support during test and verification, a virtual environment is developed to simulate the behavior of a bioreactor during execution. A .NET application has been developed together with a mathematical framework to simulate a cell culture and to return relevant process parameters such as pH, dissolved oxygen, temperature and weight. The results show that it's possible to simulate a bioreactor and to communicate with the control system. The software can be a valuable tool when developing and testing automation software but should not be used for process optimization or tuning of control parameters.

O glicerol pode ser aproveitado em processos biotecnológico como substrato, para a obtenção de diversos produtos, dentre eles os óleos microbianos. Desta forma, o presente estudo teve como objetivo avaliar a obtenção de lipídeos pela levedura Rhodotorula glutinis a partir de glicerol. Na etapa inicial deste estudo foram realizados ensaios em frascos agitados de 250 mL, contendo 50 mL de meio, segundo um planejamento experimental 24, com face centrada e repetições no ponto central, no qual foram avaliadas as influências das variáveis concentração de substrato (40 a 200 g/L), da razão carbono/nitrogênio (20:1 a 100:1), pH (5 a 7) e concentração de inóculo (1 a 5 g/L), sobre a produção de lipídeos. Verificou-se nesta etapa que, dentro da região avaliada, a concentração de substrato, o pH e a razão carbono/nitrogênio (C/N), apresentaram efeitos estatisticamente significativos sobre a produção de lipídeos. Dentre estas variáveis, a concentração de substrato e o pH apresentaram comportamento quadrático, com pontos de máximo acúmulo de lipídeos próximos a 140 g/L e pH 6,5, respectivamente. Quanto a razão C/N, esta variável mostrou um efeito positivo sobre o acúmulo de lipídeos, ou seja, dentro a região avaliada, o aumento da razão C/N levou a um aumento do acúmulo de lipídeos pela levedura. Nos cultivos realizados nas condições determinadas pelo modelo para maximizar o acúmulo de lipídeos foram alcançadas concentrações de células de 30 ± 1 g/L e lipídios de 15 ± 3 g/L, em 200 h de cultivo. Na segunda etapa deste estudo foi avaliada a ampliação de escala dos cultivos da levedura de frascos agitados para biorreatores de agitação pneumática do tipo coluna de bolhas (CB) e airlift (AL), com volumes de 0,5 e 1,8 L. Os cultivos em biorreatores foram realizados empregando-se as condições otimizadas na etapa anterior deste trabalho. De modo geral, os cultivos realizados em biorreatores de bancada aprestaram concentração de células (15 a 21 g/L) e de lipídeos (5 a 9 g/L), inferiores aos observados em frascos agitados (30 g/L de células e 15 g/L de lipídeos). Tal resultado pode estar relacionado a condição de disponibilidade de oxigênio uma vez que o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) para os cultivos em frascos agitados (kLa 49 h-1) foi superior ao alcançado em biorreatores (kLa ente 20 e 30 h-1). Nesta etapa, verificou-se ainda que, os biorreatores do tipo CB possibilitaram alcançar uma concentração de lipídeos (8 a 9 g/L) superior à obtida nos reatores AL (5 a 7 g/L), além de proporcionar uma condição de mistura mais eficiente. Quanto a composição do óleo microbiano (OM) extraído da biomassa celular ao fim do cultivo, verificou-se elevados teores dos ácidos graxos palmítico (C16:0), esteárico (C18:0), oleico (C18:1) e linoleico (C18:2), os quais corresponderam a cerca de 95% de sua composição. A proporção de ácidos graxos de dezesseis e dezoito carbonos do óleo microbiano assemelha-se a encontrada no óleo de soja (cerca de 94% de C16 e C18), o que possibilita o emprego deste óleo para finalidades semelhantes às do óleo de soja, como por exemplo, produção de biodiesel. / Glycerol can be used in biotechnological processes as a substrate to obtain various products, among them microbial oils. In this way, the present study aims to evaluate the lipids production by the yeast Rhodotorula glutinis from glycerol. In the initial stage of this study, experiments were performed in 250 mL shaken flasks, containing 50 mL of medium, according to an experimental design 24, face centered and repetitions at the central point, in which the substrate concentration (40 to 200 g/L), carbon/nitrogen ratio (20:1 to 100:1), pH (5 to 7) and inoculum concentration (1 to 5 g/L) effects on lipid production were evaluated. It was verified that, within the evaluated region, the substrate concentration, pH and carbon/nitrogen ratio (C/N) had statistically significant effects on lipid production. Among these variables, the substrate concentration and pH presented a quadratic behavior, with maximum lipids accumulation points close to 140 g/L and pH 6.5, respectively. The C/N ratio presented a positive effect on the lipid accumulation, that is, within the region evaluated, the increase in the C/N ratio led to an increase in the lipid accumulation by yeast. Cultures performed under conditions determined by the model to maximize lipid accumulation reached cell concentrations of 30 ± 1 g/L and lipids of 15 ± 3 g/L in 200 h of culture. In the second stage of this study, the scale-up of the yeast shake flasks cultures for bubble column (CB) and airlift (AL) pneumatic agitation bioreactors, with volumes of 0.5 and 1.8 L, were evaluated. Cultures in bioreactors were performed using the optimized conditions in the previous stage of this work. In general, cultures in bioreactors presented cells concentrations (15 to 21 g / L) and lipids (5 to 9 g/L) lower than those observed in shaker flasks (30 g/L of cells and 15 g/L of lipid). This result may be related to the oxygen availability condition since the volumetric oxygen transfer coefficient (kLa) for cultures in shaker flasks (kLa 49 h-1) was higher than in bioreactors (kLa 20 and 30 h-1). In this stage, it was also verified that CB-type bioreactors achieve a lipid concentration (8 to 9 g/L) higher than that obtained in AL reactors (5 to 7 g/L), besides providing more efficient mixing conditions. About the composition of the microbial oil (MO), extracted from the cell biomass at the end of the cultivation, presented high levels of palmitic (C16: 0), stearic (C18: 0), oleic (C18:1) and linoleic (C18:2) fatty acids, which corresponded to about 95% of its composition. The proportion of microbial oil fatty acids of sixteen and eighteen carbons resembles that found in soybean oil (about 94% C16 and C18), which makes it possible to use this oil for similar purposes as soybean oil, such as biodiesel production, for example.

Com a crescente demanda por energia renovável e proteção ambiental, a tecnologia de digestão anaeróbica para a produção de biogás tem atraído atenção considerável em torno do mundo. A digestão anaeróbica é um processo biológico que converte a matéria orgânica em um gás rico, o metano. É uma tecnologia bem estabelecida para o tratamento de resíduos e efluentes com alto conteúdo orgânico, provenientes de processos industriais e atividades domésticas. Neste estudo, a vinhaça, um subproduto da indústria sucroalcooleira e o efluente lácteo, subproduto da indústria de laticínios, foram avaliados para produção de biogás em reator UASB. Os efluentes orgânicos usados neste trabalho foram coletados a partir de indústrias de grande porte, localizadas no Brasil e Alemanha. Para a digestão anaeróbica da vinhaça e do efluente láctico foi utilizado um reator do tipo UASB em escala laboratorial, temperatura mesofílica e com capacidade de 87 L. Para digestão da vinhaça, o reator UASB operou durante 15 dias, com COV de 2 Kg DQO m-3 d-3 e TDH de 11,5 dias. Os resultados obtidos mostraram um bom funcionamento do reator UASB aplicado a vinhaça. Este estudo obteve-se uma eficiência de remoção de DQO de 71% e volume de biogás acumulado de 1160 litros com concentração de metano em torno de 48 a 57 %. Para a biodigestão do efluente lácteo, o reator UASB operou durante 51 dias. A eficiência do reator a partir da taxa de carga orgânica de 6 Kg COD m-3 d-3 e tempo de detenção hidráulica (TDH) de 11,8 foi estudada e seu desempenho foi avaliado pelo monitoramento do pH, DQO, relação de alcalinidade FOS/TAC e produção de biogás. Observou- se a eficiência de remoção de DQO em 71,3 %. O pH do reator foi verificado entre 7.0-7.3 e o valor de FOS/TAC entre 0,129-0,152. A produção média de biogás foi observada em 85,8 litros por dia, e o volume específico de biogás entre 0,46-0,71 L /g DQO por dia. O conteúdo de metano no biogás produzido, apresentou o valor máximo e mínimo em 56,6 % e 40 %, respectivamente / With the rising demand for renewable energy and environmental protection, anaerobic anaerobic digestion technology for biogas production has attracted considerable attention around the world. Anaerobic digestion is a biological process that converts organic matter into a methane rich gas. It is a well established technology for the treatment of waste and effluents with high organic content, from industrial processes and domestic activities. In this study, vinasse, a by-product of the sugar and alcohol industry and dairy effluent, a by-product of the dairy industry, were evaluated for biogas production in a UASB reactor. The organic effluents used in this work were collected from large industries located in Brazil and Germany. For the anaerobic digestion of the vinasse and the lactic effluent, a UASB reactor UASB was used in laboratory scale, with a mesophilic temperature and with a capacity of 87 L. For digestion of the vinasse, the UASB reactor operated for 15 days, with COV of 2 Kg COD m-3 d-3 and TDH of 11.5 days. The results obtained in this study showed a good functioning of the UASB reactor applied to vinasse. This study yielded a COD removal efficiency of 71% and an accumulated biogas volume of 1160 liters with a methane concentration of around 48 to 57%. For the digestion of dairy effluent, the UASB reactor operated for 51 days. The efficiency of the reactor from the organic loading rate of 6 kg COD m-3 d-3 and hydraulic holding time (TDH) of 11.8 was studied and its performance was evaluated by monitoring pH, COD, alkalinity ratio FOS / TAC and biogas production. The efficiency of COD removal was observed in 71.3%. The pH of the reactor was verified between 7.0-7.3 and the FOS / TAC value between 0.129-0.152. The average biogas production was observed at 85.8 liters per day, and the specific biogas volume was between 0.46-0.71 L / g COD per day. The methane content in the produced biogas, the maximum and minimum value was observed in 56.6% and 40%, respectively.

No presente trabalho foram estudados sistemas pilotos de tratamento integrado de lodos ativados com sistemas de separação por membranas de ultrafiltração visando o reúso de água. O esgoto bruto utilizado foi originado do Conjunto Residencial associado ao esgoto do restaurante universitário da Universidade de São Paulo. Este esgoto possui características físico-químicas e biológicas similares ao esgoto doméstico. O esgoto utilizado nos sistemas de tratamento foi submetido à pré-tratamento: gradeamento e caixa de areia. Foram montados dois sistemas pilotos: I) sistema piloto recebendo esgoto doméstico primário com sistema de tratamento composto por reator biológico de lodos ativados (500 L de volume) e sistema de separação por membranas de ultrafiltração tipo tubular (1,4 m² de área superficial) externa ao tanque de aeração. Este sistema apresentou como resultados principais: taxas médias de produção de permeado de 22,9 ±2,7 L.h-¹.m-² e 17 ±2,7 L.h-¹.m-².bar-¹; valores característicos do permeado em relação à variável turbidez média de 0,3±0,1 UNT, cor aparente média de 31,2±4,6 mg de PtCo.L-¹, sólidos dissolvidos totais de 201±47mg.L-¹ e sólidos suspensos totais não detectável. O sistema de lodos ativados operou em regime de aeração prolongada. II) sistema piloto recebendo esgoto doméstico, após tratamento anaeróbio em reator anaeróbio de fluxo ascendente com manta de lodo (UASB), composto por reator biológico de lodos ativados (1.500 L) e sistema de separação por membrana de ultrafiltração tipo espiral (14,4m² de área superficial) interna ao tanque de aeração. Este sistema apresentou como resultados principais: taxas médias de produção de permeado de 16,1 ± 4,1 L.h-¹.m-²; valores característicos do permeado em relação à variável turbidez média 0,2±0,1 UNT, cor aparente média de 25±5 mgPtCo.L-¹ e sólidos suspensos totais não detectável. Em ambos os sistemas as eficiências de remoção de nitrogênio e fósforo podem ser consideradas pequenas. Desta forma, foram adicionados sulfato de alumínio e cloreto férrico no tanque de aeração do sistema piloto II. As dosagens variaram de 40 a 80 mg.L-¹. Os melhores resultados de eficiência de remoção de fósforo solúvel foram obtidos com o sulfato de alumínio (em torno de 79%) na dosagem de 80 mg.L-¹. / A pilot plant integrating an extended aeration activated sludge unit and an ultrafiltration membrane system was constructed and operated aiming at the production of an effluent to be reused in industrial activities. Raw wastewater was collected from a student residential building and from one of the University of São Paulo\'s restaurants. The wastewater characteristics have shown to be very close to conventional domestic wastewaters. This wastewater was submitted to preliminary treatment by screening and subsequent grit removal. Two pilots systems were studied. The first one, treating the preliminary treated wastewater by the activated sludge unit followed by the ultrafiltration membrane system of the tubular type (1,4 m² of surface area). In this case, the membrane was located external to the aeration tank. This system has shown the following main results: average rates of percolate production of 22,9 ±2,7 L.h-¹.m-².bar-¹ and 17 ±2,7 L.h-¹.m-².bar-¹; average characteristic values of the percolate as: turbidity of 0,3±0,1 UNT, apparent Color of 31,2±4,6 mg of PtCo.L-¹, total dissolved solids of 201±47mg.L-¹ and total suspended solids not detectable. The second pilot unit received the effluent from an Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor and was composed by the extended aeration activated sludge reactor and an ultrafiltration membrane system of the spiral type (14,4m² of surface area), internal to the aeration tank of the activated sludge unit. This system has shown the following main results: average rates of percolate production of 16,1 ± 4.1 L.h-¹.m-²; average characteristic values of the percolate as: turbidity of 0,2±0,1 UNT, apparent color of 25±5 mgPtCo.L-¹ and total suspended solids not detectable. In both systems, the efficiencies of Nitrogen and Phosphorus removal can be considered as small. To improve the efficiencies of soluble phosphorus removal it has been added aluminum sulphate and ferric chloride to the aeration tank of the second pilot unit. The dosages had varied from 40 to 80 mg.L-¹. The best soluble phosphorus removal (about 79%) was achieved with the dosage of 80 mg.L-¹ of aluminum sulphate.

Foram estudados a composição e o pH do meio de cultivo para a produção do fragmento de anticorpo (scFv) anti-LDL(-), expresso em Pichia pastoris recombinante. Os experimentos que definiram a composição e pH do meio assim como a concentração inicial de células na fase de indução foram realizados em agitador orbital a 250 rpm, com temperatura de 30 ºC na fase de crescimento e 20 ºC na fase de indução, durante 72 horas, com adição diária de 1% (v/v) de metanol. Para modificação do meio foi realizado um planejamento experimental empregando como variáveis independentes: extrato de soja, casaminoácidos e ureia, os quais substituíram o YNB e a biotina presentes no meio padrão (BMMY). Apesar de haver maior produção no meio com extrato de soja, o meio contendo 10 g.L-1 de casaminoácidos foi selecionado, uma vez que este favoreceu a etapa de purificação. A partir da faixa de pH estudada entre 3,0 e 8,0, determinou-se que o pH 8,0 no início da fase de indução favorece a maior produção. Finalmente, o meio BMMY-CA (pH 8,0) foi utilizado para cultivo em biorreator com volume de trabalho de 10L e a partir deste cultivo foram calculados os parâmetro cinéticos (velocidades de crescimento, de consumo de substrato e de produção, bem como produtividade). Diante do conjunto de experimentos realizados, foi possível otimizar a composição do meio de cultivo e as condições operacionais, que possibilitaram um aumento do rendimento bem como aumento do volume de produção do scFv anti-LDL(-) em biorreator. / Composition and pH culture medium for the production of anti- LDL(-) antibody fragment (scFv) were studied in recombinant yeast Pichia pastoris. The experiments that defined medium composition, pH and the initial cell concentration in the induction phase were carried out in baffled shaker flasks at 250 rpm, with temperature at 30°C for growth phase and 20°C for induction phase, during 72 hours with daily addition of 1% (v/v) methanol. A design of experiments employing for medium modification with independent variables: soy extract, casamino acids and urea, which replaced the YNB and biotin present in the standard medium (BMMY) was conducted for medium formulation. Even though, there was an increase in medium production with soy extract, the medium containing 10 g.L-1 casamino acids was selected since it favors the purification step. Through a pH range study (3.0 to 8.0), it was determined that pH 8.0 during induction phase offered higher levels. Then, the best results from shaker flask cultivation (BMMY-CA with casamino acids and pH 8.0) were carried out in 1L bioreactor, showing a biomass and a scFv production increase compared to the standard, BMMY (pH 6.0). Finally, the medium BMMY-CA (pH 8,0) was submitted to a volume scale-up into a 10L bioreactor, which was also used to evaluate kinetic parameters (rates of growth, substrate consumption and production as well as productivity). In conclusion, by optimizing culture medium and operating conditions it was possible to increase yield and scale-up the production of scFv anti-LDL(-) in bioreactor.

Neste trabalho, foi estudado o potencial biotecnológico, com ênfase na produção de biodiesel, de 25 espécies de macroalgas marinhas pertencentes às divisões Rhodophyta, Chlorophyta e Heterokontophyta coletadas no litoral brasileiro, avaliando-se a sua composição bioquímica e a sua taxa de fotossíntese. Também foram realizados estudos com 6 espécies de macroalgas coletadas na Baía do Almirantado, na Península Antártica, para comparar os resultados apresentados por esses organismos, que habitam um ambiente de condições extremas e adversas. Para a análise bioquímica, foram quantificados os pigmentos (clorofila a, para todos os grupos de macroalgas, e ficobiliproteínas -aloficocianina, ficocianina e ficoeritrina-, para as algas vermelhas), as proteínas e carboidratos solúveis totais e os lipídeos totais e ácidos graxos. As espécies Dictyota menstrualis e Ulva lactuca apresentaram os maiores valores de fotossíntese máxima. Foram observadas diferenças no conteúdo de clorofila a entre as espécies de macroalgas estudadas, sendo que os valores variaram de 0,20 ± 0,01 mg/g massa seca (Gigartina skottsbergii) a 6,82 ± 0,46 mg/g massa seca (Spatoglossum schroederi). Também houve grande variação no conteúdo de lipídeos, carboidratos e proteínas, sendo que os maiores valores foram encontrados em D. menstrualis (98,8 + 4,9 mg/g massa seca de lipídeos), Gracilaria mammillaris, Laurencia dendroidea e Plocamium cartilagineum (742,0 ± 31,9, 675,3 ± 11,0 e 660,2 ± 27,2 mg/g massa seca de carboidratos, respectivamente) e Palmaria decipiens e Aglaothamnion uruguayense (21,7 ± 1,7 e 18,0 ± 0,4 mg/g massa seca de proteínas, respectivamente). Houve grande variação na concentração e no perfil de ácidos graxos das espécies estudadas, sendo que D. menstrualis e S. schroederi foram as espécies que apresentaram os maiores valores. Além disso, D. menstrualis exibiu a maior proporção de ácidos graxos monoinsaturados. A partir dos resultados obtidos com as algas coletadas em campo, concluímos que D. menstrualis foi a espécie que apresentou as melhores características para ser utilizada como fonte para produção de biodiesel, devido a sua alta taxa fotossintetizante, alto teor de lipídeos e ácidos graxos e alto teor de ácidos graxos monoinsaturados. Dessa forma, D. menstrualis foi utilizada na segunda etapa do trabalho, sendo estabelecido o seu cultivo em laboratório, com uma taxa de crescimento (TC) de 11,1 % d-1. Foram realizados experimentos para avaliar os efeitos do aumento da concentração de dióxido de carbono (CO2), em condições de limitação e saturação de nitrogênio (na forma de nitrato, NO3-), sobre a TC, a fotossíntese, a atividade das enzimas nitrato redutase (NR), Anidrase Carbonica (AC) e Rubisco e sobre a composição bioquímica de D. menstrualis cultivada em biorreatores e sobre a captação do CO2 por D. menstrualis cultivada em laboratório. A TC, o conteúdo de proteínas e de N total no tecido de D. menstrualis foram maiores nos tratamentos contendo NO3-, independente da adição de CO2. Entretanto, houve um aumento nos valores de fotossíntese máxima, na atividade da Rubisco e NR, e no teor de carboidratos e lipídeos totais quando D. menstrualis foi cultivada em meio com adição de CO2, com saturação de NO3-. Houve pouca variação na atividade da AC entre os diferentes tratamentos testados. O perfil de ácidos graxos de D. menstrualis cultivada nos biorreatores foi caracterizado por um alto conteúdo de ácidos graxos poliinsaturados, com destaque para os omegas-3. Não houve diferença significativa na taxa de remoção de CO2 entre os tratamentos com e sem adição NO3-. A remoção de CO2 nos meios com e sem adição de CO2 foi alta, variando de 71,5% a 34,8%, respectivamente. Os resultados evidenciam que quando essa espécie foi cultivada em biorreatores, houve um aumento no seu teor de ácidos graxos poliinsaturados e ω-3, o que a torna mais interessante para ser utilizada como nutracêutico do que como matéria-prima para a produção de biodiesel. Apesar disso, a sua aplicação como fonte de biodiesel não deve ser desconsiderada, uma vez que alterações nas condições de cultivo acarretam em modificações no perfil de ácidos graxos. Com base nos resultados obtidos, as perspectivas para a produção de biodiesel a partir de macroalgas marinhas deverão contemplar estudos para encontrar as melhores condições de cultivo para que ocorra o aumento na biossíntese de ácidos graxos monoinsaturados. / The Biotehcnological potential, with biodiesel producing emphasis, on 25 species of marine benthic algae from the phylum Rhodophyta, Chlorophyta and Heterokontophyta collected along the Brazilian coast, were evaluated assessing their biochemical composition and their photosynthetic rate. Studies have also been performed with 6 seaweed species collected in Admiralty Bay, Antarctic Peninsula, to compare the results presented by these organisms inhabiting an environment of extreme and adverse conditions. For biochemical analysis, pigments (chlorophyll a, for all groups of macroalgae, and phycobiliproteins, allophycocyanin, phycocyanin and phycoerythrin, for the red algae), total soluble protein, total soluble carbohydrates and total lipids and fatty acids were quantified. The species Dictyota menstrualis and Ulva lactuca showed the highest values of maximum photosynthesis. There were differences in chlorophyll a content between the seaweeds studied, and the values ranged from 0.20 ± 0.01 mg / g dry mass (Gigartina skottsbergii) to 6.82 ± 0.46 mg / g dry weight (Spatoglossum schroederi). There was also wide variation in the content of lipids, carbohydrates and proteins, and the highest values were found in the species Dictyota menstrualis (98.8 ± 4.9 mg / g dry weight of lipids), Gracilaria mammillaris, Laurencia dendroidea and Plocamium cartilagineum (742, O ± 31.9, 675.3 ± 11.0 and 660.2 ± 27.2 mg / g dry weight of carbohydrates, respectively) and Palmaria decipiens and Aglaothamnion uruguayense (21.7 ± 1.7 and 18.0 ± 0, 4 mg / g dry weight of proteins, respectively). There was a wide variation on fatty acids contents and profile of the species studied; D. menstrualis and Spatoglossum schroederi showed the highest lipids values. In addition, D. menstrualis exhibited the highest proportion of monounsaturated fatty acids. From the results obtained with algae collected in the field, D. menstrualis is the species with the best characteristics to be used as a source for biodiesel production due to their high photosynthetic rate, high content of lipids and fatty acids and a high content of monounsaturated fatty acids. Thus, D. menstrualis was used in the second stage of this study, being established it\'s cultivation in the laboratory, with a growth rate (GR) of 11.1% d-1. Experiments to evaluate the effect of increasing carbon dioxide (CO2) concentration, under nitrogen (NO3-) limiting and saturation conditions, on the GR, photosynthesis, the activity of nitrate reductase (NR), carbonic anhydrase (CA) and Rubisco and on the biochemical composition of D. menstrualis grown in bioreactors and on the CO2 capture by D. menstrualis grown in the laboratory were performed. The GR, protein content and N content in the tissue of D. menstrualis were higher in treatments containing NO3-, regardless of the addition of CO2. However, there was an increase in the values of maximum photosynthesis, of Rubisco and NR activity, and of total soluble carbohydrates and total lipids when D. menstrualis was grown in medium with addition of CO2, with NO3- saturation. There was little variation in the AC activity among different treatments. The fatty acid profile of D. menstrualis cultivated in bioreactors was characterized by a high content of polyunsaturated fatty acids, especially the omegas-3. There was no significant difference in the rate of CO2 removal between treatments with and without NO3-. CO2 removal in medium with and without addition of CO2 was high, ranging from 71.5% to 34.8%, respectively. The results show that when this species was cultivated in bioreactors, there was an increase in its content of polyunsaturated fatty acids and ω-3, which makes it interesting for use as a nutraceutical than as raw material for biodiesel production. Nevertheless, its application as a source of biodiesel can not be disregarded, since changes in culture conditions lead to changes in fatty acid profile. Based on these results, the prospects for the production of biodiesel from marine macroalgae should include studies to find the best growing conditions to occur the increase in the monounsaturated fatty acids biosynthesis.

Comparadas com células de mamífero, as células de inseto são mais fáceis de cultivar, não acumulam quantidade significativa de sub-produtos tóxicos e apresentam maiores rendimentos na expressão de proteínas heterólogas, porém apresentam uma menor capacidade de realizar modificações pós-traducionais. Células de inseto podem ser empregadas na produção in vitro de baculovírus, usados como pesticidas biológicos. As células Sf-9 estão entre as células de inseto com uso mais difundido. Entender o metabolismo destas células permitirá melhorias nos processos que as empregam, entretanto, ainda há relativamente pouca informação sobre o assunto. Considerando mais especificamente o uso dessas células para produção de baculovírus, também é necessário mais entendimento sobre o processo infectivo e parâmetros que o afetam. Este trabalho teve como objetivo estudar a influência da suplementação do meio de cultivo com diferentes aminoácidos no desenvolvimento das células Sf-9 e determinar a concentração de oxigênio dissolvido ideal para o cultivo destas células, visando elaborar uma metodologia de cultivo em biorreator otimizada e, paralelamente, estudar o processo de infecção de cultivos dessas células com o baculovírus Spodoptera frugiperda (SfMNPV) em diferentes escalas. Para estudar a influência que a adição de aminoácidos ao meio tem sobre o crescimento celular, células Sf-9 foram cultivadas em frascos schotts de 100 e 500 mL, com 20 mL do meio SF900III SFM (serum free medium) suplementados com cisteína, prolina, serina ou asparagina. Os resultados foram comparados com cultivos feitos sem suplementação (controles). A condição que apresentou o melhor resultado em frasco schott foi replicada em biorreator de 1 L de volume útil. Para estudar a influência do oxigênio dissolvido (O.D.) foram testados diferentes setpoints de O.D. em cultivos em biorreator. Em tais ensaios foram testadas as concentrações de O.D de 10%, 30% e 50% da saturação com o ar. Para o estudo do processo de infecção, foram realizadas infecções em frascos schotts de 500 mL, com 20 mL de cultivo, e em biorreator de 1 L. Também foram realizadas infecções em garrafas T-25 como forma de controle de virulência do inóculo viral e do vírus produzido. As principais variáveis analisadas foram µmáx, Xvmáx YX/Glc. Nos ensaios de influencia de O.D., analisou-se também qO2 e qCO2 e, nos ensaios de infecção, a porcentagem de células contendo poliedros. A suplementação com prolina foi prejudicial ao cultivo. A adição de asparagina não teve qualquer influência no desenvolvimento celular. Os resultados das adições de cisteína e serina não foram muito conclusivos, em alguns ensaios houve aumento de Xvmáx, já em outros não foi notado efeito significativo. Nos ensaios em biorreator, todos os valores de O.D. testados apresentaram resultados semelhantes, já a adição de cisteína ao meio em biorreator foi bastante maléfica ao crescimento celular. Os ensaios de infecção mostraram que células Sf-9 são bastante susceptíveis à infecção pelo baculovírus Spodoptera frugiperda e boas produtoras de poliedros virais, e que a vazão gasosa tem efeito negativo na concentração viral na fase líquida dos cultivos em biorreator (título viral). / Compared to mammalian cells, insect cells are easier to culture, do not accumulate significant amounts of toxic byproducts and are capable of higher heterologous protein yields, but have a lower ability to perform post-translational modifications. Insect cells may be employed in the in vitro production of baculoviruses, used as biological pesticides. Sf-9 cells are among the most used insect cell lines. Understanding the metabolism of these cells would allow improvements in the processes that employ them, however, Howeverreports on the metabolism and physiology of Sf-9 cells and insect cells in general are scarce. When considering the use of these cells for baculovirus production, it is also necessary more understanding about the infective process and parameters that can affect it. This work aimed to study the influence that the supplementation of the culture medium with different amino acids have on the development of Sf-9 cells and to determine the ideal dissolved oxygen concentration for the culture of these cells, aiming to elaborate an optimized bioreactor culture methodology and, in parallel, to study the infection process of these cells with the Spodoptera frugiperda baculovirus (SfMNPV) at different scales. To study the influence that the addition of amino acids to the medium has on cell growth, Sf-9 cells were cultured in 100 and 500mL schott flasks with 20mL SF900III SFM (serum free medium) supplemented with cysteine, proline, serine or asparagine. The results were compared with cultures without supplementation (controls). The condition that presented the best result in schott flasks was replicated in a 1L bioreactor. To study the influence of dissolved oxygen (O.D.), experiments with different values of O.D. were conducted at a 1L bioreactor. The O.D. tested were 10%, 30% and 50% of air saturation. To study the infection process, infections were carried out in 500 mL schotted flasks, with 20 mL of culture, and in a 1L bioreactor. Infections were also carried out in 25 cm² T-flasks as a form of virulence control of the viral inoculum and virus produced. The main variables analyzed were µmax, Xvmax YX/Glc. In the O.D. tests, qO2 and qCO2 were also analyzed and, in the infection assays, the percentage of cells containing polyhedra. Proline supplementation was detrimental to the culture. The addition of asparagine had no influence on cellular growth. The results of cysteine and serine additions were not very conclusive, in some studies there was an increase of Xvmax, while in others no significant effect was observed. In the bioreactor trials, all O.D. tested showed similar results and the addition of cysteine to the medium was quite harmful to cell growth. Infection assays showed that Sf-9 cells are quite susceptible to infection by the Spodoptera frugiperda baculovirus and good producers of viral polyhedra, and that the gas flow has a negative effect on the viral concentration in the liquid phase of the bioreactor cultures (viral titer).

Previous work has shown that despite the lack of oxygen limitation, transformed roots of Artemisia annua had lower biomass productivity in a nutrient mist bioreactor than in a liquid-phase bubble column reactor where the roots demonstrated metabolic signs of oxygen stress. Mathematical modeling suggested that the roots were too sparsely packed to capture mist particles efficiently and to achieve high growth rates. In this study, higher packing fractions were tested, and the growth rate increased significantly. Similarly, higher sucrose concentrations increased the growth rate. Growth kinetics for 2, 4, and 6 days showed an unexpected decrease or stationary growth rate after only 4 days for both 3% and 5% sucrose feeds. Residual media analyses indicated that carbon was not exhausted, nor were other major nutrients including phosphate. Increasing the misting frequency such that the total amount of carbon delivered from a 3% sucrose feed was equivalent to that delivered in a 5% sucrose feed showed that growth was affected by the modified cycle. These studies showed that both the concentration of carbon source and alteration of misting frequency can significantly increase growth rates of hairy roots in mist reactors.

Penicillium ochro-chloron (ATCC strain # 36741), a filamentous fungus with the capability for removing copper ions from aqueous solutions, was studied as a possible biological trap (biotrap) for remediation of heavy metal contaminants in industrial wastewaters. This research demonstrated that in shake flasks the fungus removed copper from surrogate wastewater with 100mg/L copper contamination by as much as 99%. These results did not translate to the bioreactor configuration of a packed bed column, as channeling occurred through the bed, shown by conductivity tracer studies. A fluidized bed configuration was studied and resulted in copper removal of 97%, with a capacity of 149 mg[Cu]/g dry weight biomass, under the conditions of 50% dissolved oxygen. For dissolved oxygen concentrations below the critical oxygen concentration for the fungus (20% saturation) there was minimal copper removal. Mixing studies in the fluidized bed reactor showed that the system was diffusion limited. Mathematical modeling using first order kinetics associated with diffusion limited reactions resulted in rate constants for Cu 2+ uptake of approximately 0.031 h -1 , which were dependent on the dissolved oxygen concentration. Modeling of the reaction with a second order kinetic equation showed that there are possibly factors regulating copper uptake besides oxygen. Electron microscopy showed that in some instances the copper removed was retained as large porous spherical extracellular precipitates. Energy Dispersive X-ray (EDX) analysis has shown similar complexes to be copper phosphate precipitates (Crusberg, 1994). Removal of heavy metal contaminants from wastewater discharge is a necessity for many industries, due to environmental concerns and federal regulations. The use of a biological system for the removal and recycling of heavy metals could prove more economical than currently used physio-chemical processes.

Syngas fermentation via gasification is a two-stage process, which contains gasification of feedstock into syngas and syngas bio-methanation by anaerobic microorganisms. This project is a study on syngas fermentation. The gasification feedstock can be difficult-to-degrade solid waste so; waste volumes are reduced while green energy is produced. The main target of this thesis was to study novel configurations of reverse membrane bioreactor (RMB) in order to retain microbial cells inside the digester and thereafter increase methane production. In the first experiment, microbial cells encased in PVDF sachets were proved to perform efficiently in batch mode in comparison to free cells at optimum temperature, 55 oC. Moreover, encased cells in co-digestion of syngas and organic waste exhibited higher methane amounts compared to pure syngas treatment. Encased cells were then tested in thermophilic semi-continuous process and showed better performance compared to the free cell reactor. The RMB containing encased cells retained successfully the cells during the 154 days of the experiment, while free cells were washed-out. The highest amounts of methane from RMB and the free cell reactor were produced during the 126th - 130th day (6 and 1.5 mmol/day, respectively). In the last experiment, a RMB containing 13 membrane layers of enclosed cells was studied and compared to a conventional reactor of free cells. The RMB performed successfully in syngas bio-methanation under semi-continuous conditions during 49 days. The highest methane amount produced was 10 mmol/day in both RMB and free cell reactor. / Program: Industriell bioteknik