A Drenagem Ácida de Mina (DAM) é um dos mais graves problemas ambientais decorrentes da extração mineral, porque se não for tratada de forma correta afeta a qualidade das águas subterrâneas e superficiais, o solo e, consequentemente, a saúde humana. Esta água residuária é formada pela oxidação de minerais sulfetados quando expostos a intempéries, como água e oxigênio, gerando, assim, ácido que com as chuvas são carregados lixiviando os elementos presentes no minério e desta forma, caracteriza-se por sua baixa concentração de matéria orgânica e baixo valor de pH, alta condutividade, altas concentrações de sulfato e de metais pesados. Convencionalmente, na indústria. essa água residuária é tratada pela processo de neutralização usando óxidos de cálcio, porém uma alternativa a este processo é o tratamento biológico da DAM em reatores anaeróbios contendo bactérias redutoras de sulfato (BRS), que reduzem o sulfato a sulfeto consumindo íons (H+) neste processo. Consequentemente, há um aumento do pH final e este sulfeto reage com os metais presentes em solução, precipitando na forma de sulfetos metálicos. Todavia, além de saber como se procede o tratamento desta água residuária nos reatores anaeróbios, é importante o desenvolvimento de modelos matemáticos a partir dos dados para se compreender com detalhes o processo como um todo, visto que os modelos nos permitem ver claramente a influência de uma variável sobre as demais. Diante disto, o objetivo principal deste trabalho foi avaliar a aplicação de modelos matemáticos aos dados experimentais do tratamento anaeróbio da DAM de um reator em batelada em escala de bancada, previamente operado. Propôs-se o modelo de Malthus-Monod-Fick para verificar quais grupos de micro-organismos estavam atuando no sistema e também avaliar o efeito da transferência de massa interna no grânulo sobre a ordem global da reação. E para isto especificamente, foram exploradas ferramentas de inferência estatística pouco usadas nesta área de modelagem de reator, tais como o Método da Máxima Verossimilhança e o teste de hipótese Chi-quadrado, buscando, portanto, obter o máximo de informações do experimento por meio do modelo desenvolvido. O modelo proposto foi implantado em linguagem de programação usando C++ com a biblioteca Root, usada principalmente para processar grandes volumes de dados e realizar análises estatísticas, partindo da premissa mais simples que avalia a atuação de apenas um grupo bacteriano atuando no sistema até a mais complexa que leva em consideração restrição da difusão de substrato no grânulo. Concluiu-se neste trabalho que mais de um grupo bacteriano atuaram no sistema: as BRS e as bactérias fermentativas (neste grupo inclui todos os tipos de micro-organismos que competem com as BRS pelo doador de elétrons, etanol), que com o passar do tempo a comunidade microbiana tornou-se mais selecionada devido as condições operacionais do reator escolhidas para favorecer as BRS e que em decorrência desta seleção houve o crescimento do biofilme que atuou como uma restrição a transferência de massa interna. Finalmente, provou-se matematicamente, com validação estatística do modelo, que esta restrição a difusão de massa no grânulo com o passar do tempo era a responsável por um comportamento global de primeira ordem mesmo usando valores dos coeficientes de Monod (KS e KA) muito pequenos, típicos de uma cinética de ordem zero, no qual a velocidade de consumo de substrato é independente da concentração do mesmo. / The acid mine drainage (AMD) is one of the most serious environmental problems in mining industry, because it affects the quality of groundwater and surface water, soil and, consequently, human health. This wastewater is formed by the oxidation of sulphide minerals when exposed to weathering, such as water and oxygen, thus causing acid that with the rain is loaded leaching the elements present in the area. This wastewater is characterized by its low concentration of organic material and low pH, high conductivity, high concentrations of sulphate and heavy metals. Conventionally in industry, the AMD is treated by the process of neutralization using calcium oxides, but an alternative to this process is the anaerobic treatment of the AMD in anaerobic reactors containing sulfate reducing bacteria (SRB), which reduce sulfate to sulfide consuming ions (H+), consequently there is an increased of the pH effluent and this sulfide reacts with the metals present in solution, precipitating in the form of metal sulfides. However, in addition to know how to proceed the treatment of wastewater in anaerobic reactors it is important to realize the modeling of data to understand in detail all the process, since the model allows us to clearly see the influence of one variable on the others. So, the main objective of this study was to model the experimental data from anaerobic treatment of the AMD in a batch reactor in bench scale, previously operated. It was proposed the model of Malthus-Monod-Fick to determine which groups of microorganisms were active in the system and also to evaluate whether there was any effect of internal mass transfer in the granule over the overall order of the reaction. And for this specifically, it was explored statistical tools little used in reactor modeling area, such as Maximum Likelihood Method and the Chi-square test of hypothesis, looking for this way to obtain the maximum information through the developed model. The proposed model was implemented in programming language using C ++ with the Root library, used mainly to process large volumes of data and perform statistical analysis, based on the simple premise that evaluates the performance of only one bacterial group working in the system to the most complex premise that takes into account restriction of substrate diffusion inside the granule. It was concluded in this study that more than one bacterial group acted in the system, the SRB and the fermentative bacteria (this group includes all kinds of microorganisms that compete with SRB by electron donor, ethanol), that a long the time the microbial community became more selected because the reactor operating conditions chosed to favor SRB and due to this selection was the growth of a biofilm which acted as a restriction to intern mass transfer. Finally, it has been proven mathematically, with statistical validation model, this mass diffusion restriction over time was responsible for a overall behavior of the first order even using values Monod coefficients small (KS e KA), typical a zero-order kinetics, in which the substrate consumption rate is independent of the concentration of this same substrate. / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais - FAPEMIG

A velocidade específica de respiração (QO2) é um parâmetro fundamental para entender-se o metabolismo e o estado fisiológico celular, fornecendo informações úteis para o processo e controle em biorreatores. Neste trabalho, cultivou-se diferentes células de insetos em ambiente controlado medindo-se o QO2 e concentração crítica de oxigênio (Ccrít). Foram utilizadas nos ensaios células de insetos Spodoptera frugiperda (Sf9) não infectadas e células de Drosophila melanogaster (S2) selvagem e recombinantes, utilizadas na expressão de diferentes proteínas. Todas as experiências foram realizadas em biorreator Inceltech com volume de trabalho de 1L, mantido a temperatura de 28ºC, agitação de 100 rpm e oxigênio dissolvido (OD) a 40% da saturação de ar, com difusão por membrana de silicone com mistura gasosa (O2 e N2) e vazão gasosa constante. Foi utilizado meio de cultura Sf900II sem soro fetal bovino. O QO2 foi medido pelo método dinâmico e pelo balanço de oxigênio na fase líquida. Neste trabalho foi implementado um novo processo durante o método dinâmico para interromper completamente a transferência gasosa durante a execução deste método. Implementou-se também uma metodologia para medição de Ccrít. Chegou-se a concentrações máximas celulares (Xm), velocidades máximas específicas de respiração (QO2) na fase exponencial e Ccrít, conforme segue: 1) Sf9 (ATCC 1711): Xm - 10,7.106 cel/mL; QO2 - 74,7.10-18 molO2/(cel.s); 2) S2 (Invitrogen): Xm - 51,2.106 cel/mL; QO2 - 3,4.10-18 molO2/(cel.s); Ccrít - 10%; 3) S2AcGPV2 (transfectadas para expressão de GPV): Xm - 26,6.106 cel/mL; QO2 -16,0.10-18 molO2/(cel.s); Ccrít - 10%; 4) S2MtEGFP (transfectadas para expressão de EGFP): Xm - 17,8.106 cel/mL; QO2 - 25,8.10-18 molO2/(cel.s); Ccrít - 5%; 5) S2AcHBsAgHy (transfectadas para expressão de HBsAg): Xm - 16,6.106 cel/mL; QO2 -33,6.10-18 molO2/(cel.s); Ccrít - 12%. Conclui-se que as linhagens selvagens e transfectadas de S2 possuem entre si uma atividade respiratória diferente e também que as novas metodologias implantadas verificaram-se satisfatoriamente. / Specific respiration rate (QO2) is a key parameter to understand cell metabolism and physiological state, providing useful information for process supervision and control. In this work, we cultivated different insect cells in a very controlled environment, being able to measure QO2 and critical oxygen concentration (Ccrit). Wild Spodoptera frugiperda (Sf9) and wild and transfected Drosophila melanogaster S2 cells (able to produce different proteins) were used. All experiments were performed in 1-liter working volume Inceltech bioreactor, maintaining temperature controlled at 28ºC, agitation rate at 100 rpm, and dissolved oxygen (DO) at 40% of air saturation, through membrane diffusion of mixed gases (O2 and N2) at constant total flow rate. SF900II serum free medium was used. QO2 was measured through dynamic method and oxygen mass balance in the liquid phase. In this work a new process was implemented during the dynamic method to interrupt completely the oxygen transfer during the execution of this method. It was also implemented a methodology for measurement of Ccrít (determined when DO reduces its decay rate, without oxygen transfer). Maximum cell concentration (Xm), maximum specific respiration rate (QO2) in the exponential phase and Ccrít were reached, as follows: 1) Sf9 (ATCC 1711): Xm - 10,7.106 cel/mL; QO2 - 74,7.10-18 molO2/(cel.s); 2) S2 (Invitrogen): Xm - 51,2.106 cel/mL; QO2 - 3,4.10-18 molO2/(cel.s); Ccrít - 10%; 3) S2AcGPV2 (transfected for GPV expression): Xm - 26,6.106 cel/mL; QO2 -16,0.10-18 molO2/(cel.s); Ccrít - 10%; 4) S2MtEGFP (transfected for EGFP expression): Xm - 17,8.106 cel/mL; QO2 - 25,8.10-18 molO2/(cel.s); Ccrít - 5%; 5) S2AcHBsAgHy (transfected for HbsAg expression): Xm - 16,6.106 cel/mL; QO2 -33,6.10-18 molO2/(cel.s); Ccrít - 12%. From these results, it can be concluded that the studied cell lines have different respiration activity and the new developed methodologies behave satisfactorily.

Uma potencial alternativa para o transplante de tecidos é a engenharia de tecidos. Células-tronco mesenquimais e scaffolds eletrofiados são comumente utilizados nesta área devido à capacidade multipotente de diferenciação destas células e à rede de poros interconectados destas estruturas fibrosas. Além disso, bioreatores de perfusão podem ser utilizados para melhorar o transporte de nutrientes e reduzir o acúmulo de metabolitos tóxicos. Neste contexto, uma maneira de estudar e otimizar o sistema de cultivo é utilizar técnicas de modelagem para descrever interações ou processos individuais envolvidos no crescimento celular. Deste modo, o objetivo geral deste estudo é realizar o cultivo de células-tronco mesenquimais da polpa de dente decíduo (DPSCs) utilizando scaffolds tridimensionais eletrofiados de policaprolactona (PCL), biorreatores e técnicas de modelagem. Inicialmente foram testadas diferentes misturas de solventes (clorofórmio e metanol), a fim de produzir scaffolds com poros adequados ao cultivo tridimensional. Os diâmetros de fibra e de poro foram determinados por microscopia eletrônica de varredura (MEV). O crescimento e o metabolismo das células foram avaliados através da determinação da atividade metabólica e das concentrações de glicose e lactato do meio de cultivo, e a infiltração celular foi observada com a marcação do núcleo celular. Depois de estabelecidos os parâmetros de eletrofiação, o efeito da perfusão direta no desprendimento de DPSCs de scaffolds eletrofiados de PCL foi estudado. A atividade metabólica das células foi determinada para diferentes tempos de adesão, vazões e densidades de semeadura, e a tensão de cisalhamento na parede do poro foi calculada para cada vazão. A morfologia das células foi avaliada através de imagens de microscopia confocal e MEV. Paralelamente, foram realizadas simulações utilizando o software OpenFOAM para estudar como os parâmetros e variáveis de entrada (concentração inicial de glicose, porosidade e espessura do scaffold) afetam as saídas (fração volumétrica de células e concentração de substrato) de um modelo de proliferação celular que considera a difusão e o consumo de glicose. As contribuições do teor de oxigêno na cinética de crescimento de Contois e da variação da porosidade com o tempo devido à degradação do polímero também foram avaliadas. Inicialmente, foi observado que apenas um tamanho de poro maior que o diâmetro da célula permitiu a infiltração das células no scaffold. Então, observou-se que o aumento do tempo de adesão acarretou em maior espalhamento das células e, assim como a diminuição da densidade de semeadura e da tensão de cisalhamento, resultou em uma redução do desprendimento das células sob perfusão. Quanto ao modelo fenomenológico, observou-se maior sensibilidade à concentração inicial de glicose e à porosidade do scaffold, e aos parâmetros adimensionais relacionados à proliferação e morte celular e ao consumo de nutrientes. Além disso, o número inicial de células apresentou maior impacto no transporte de massa do que no crescimento celular. Neste estudo, foi possível obter scaffolds eletrofiados e conduções de cultivo dinâmico adequadas ao cultivo tridimensional de DPSCs, e elucidar os efeitos da limitação do transporte de massa e do oxigênio no crescimento celular, e da degradação do polímero no transporte de massa. / A potential alternative to tissue transplant is tissue engineering. Mesenchymal stem cells and electrospun scaffolds are commonly used in this field due to the multipotent differentiation capacity of these cells and the interconnected pore network of these fibrous structures. In addition, perfusion bioreactors can be used to enhance nutrient transport and reduce the accumulation of toxic metabolites. In this context, one way to study and optimize the culture system is to use modeling techniques to describe interactions or individual processes involved in cell growth. Thus, the objective of this study is to perform the three-dimensional culture of mesenchymal stem cells of dental pulp (DPSCs) using electrospun polycaprolactone (PCL) scaffolds, bioreactors and modeling techniques. Initially, different solvent mixtures (chloroform and methanol) were tested to produce scaffolds with pores suitable to three-dimensional culture. Fiber and pore diameter was determined using a scanning electron microscope. Cell growth and metabolism were evaluated through the metabolic activity and the culture medium concentration of glucose and lactate, and the cell infiltration was observed with cell nuclei staining. After the establishment of the elesctrospinning parameters, the effect of direct perfusion on DPSCs detachment from PCL electrospun scaffolds was investigated. The metabolic activity of the cells was determined for different adhesion times, flow rates and seeding densities and the pore wall shear stress was calculated for each flow rate. The cell morphology was evaluated through scanning electron and confocal microscopy imaging. In parallel, simulations with the software OpenFOAM were performed to study how parameters and inputs (initial glucose concentration, porosity and thickness of the scaffold) affect the outputs (cell volume fraction and substrate concentration) of a model of cell proliferation and glucose diffusion and consumption. The contribution of the oxygen in the Contois growth kinetics and the porosity variation with time due to polymer degradation was also evaluated. Initially, it was observed that only a pore size higher than the cell diameter allowed the infiltration of the cells through the scaffold. Then, it was observed that a higher adhesion time leaded to higher cell spreading in static conditions and, similar to smaller seeding densities and shear stresses, reduced cell detachment under perfusion. Regarding the phenomenological model, it was observed that the model is more responsive to the initial glucose concentration and scaffold porosity, and to the dimensionless parameters related to cell proliferation, death and nutrient uptake. Furthermore, the initial cell number had a more significant impact on mass transport than on cell growth. In this study, it was possible to obtain an electrospun scaffold and dynamic culture conditions suitable for the three-dimensional culture of DPSCs, and to elucidate the effects of transport limitations and of oxygen on cell growth, and of polymer degradation on mass transport were elucidated.

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Outra planta ornamental de destaque é a Dracaena sanderiana, conhecida como Bambu-da-sorte, sendo atualmente uma das plantas de vaso mais populares em todo o mundo. Os arranjos formados foram popularizados segundo a tradição chinesa do Feng Shui, sendo oferecidos como presentes com intuito de trazer sorte, energizar ambientes e dissipar fluxos negativos. A tecnologia da cultura de tecidos pode auxiliar na propagação destas espécies, visando à produção de mudas com elevada qualidade genética e sanitária, substituindo assim, os métodos de propagação por sementes ou estacas. Tanto as técnicas convencionais de micropropagação, como o uso de biorreatores podem ser utilizadas para a propagação destas espécies ornamentais, viabilizando aumentar a oferta de mudas para o mercado. Os estudos foram conduzidos em experimentos que visaram à multiplicação de G. paniculata, em meios MS semissólido e líquido em biorreatores com sistema de imersão temporária (STI) e o estabelecimento e indução inicial de brotações de D. sanderiana, testando diversos explantes e reguladores de crescimento, bem como avaliar o estresse oxidativo, ocorrido in vitro na fase de estabelecimento. Neste contexto, o trabalho teve como objetivos: a) realizar uma análise comparativa entre a multiplicação de G. paniculata in vitro pelo sistema convencional e por biorreatores com sistema de imersão temporária; b) definir um protocolo eficiente para o estabelecimento de D. sanderiana e analisar a atividade das enzimas antioxidantes da mesma, durante o processo de estabelecimento in vitro. Quanto aos resultados de micropropagação e multiplicação de G. paniculata, o sistema de biorreator de imersão temporária foi mais eficiente, demonstrando maior proliferação de brotações e maior número de folhas. Para D. sanderiana os resultados obtidos mostraram que o procedimento de desinfestação mais promissor para a espécie foi com hipoclorito de sódio a 2% por 15 minutos e lavagens de 10 minutos com Cetazima 250 mgL-1, com adição de PPM (Plant Preservative Mixture) ao meio de cultura. Dentre os meios testados, o meio MS semissólido suplementado com 15 mgL-1de 2ip e 0,5 mgL-1 AIA e posterior diminuição para 2mgL-1de 2ip, foram os que apresentaram os melhores resultados quanto ao estabelecimento e indução de gemas. Quanto às análises enzimáticas, após 20 dias in vitro, os explantes de D. sanderiana já apresentaram uma adaptação ao ambiente, independente de serem expostos a luz ou ao escuro. / Floriculture brings many social and economic benefits, since it is possible to produce in small areas, fostering employment and thus keeping the man in the country. Brazil, by presenting very diverse climates and soils, is a nation that enables the growth of a wide variety of flowers and ornamental plants, both from native and exotic origins, and from temperate and tropical climates. The Gypsophila paniculata is a species that provides a large market among the cut flowers and can be commercially disseminated by vegetative methods such as rooting. Another outstanding ornamental plant is the Dracaena sanderiana, known as lucky bamboo, being currently one of the most popular pot plants worldwide, whose arrangements were popularized according to the Chinese tradition of Feng Shui, being offered as a gift with the intention of bringing luck, energizing environments and dispel negative flows. The tissue culture technology can aid spreading these species, aiming at producing seedlings with high genetic quality and health, thus taking the place of the methods of propagation by seeds or cuttings. Both conventional micropropagation techniques and the use of bioreactors can be used for the propagation of these ornamental species, enabling to increase the supply of seedlings to market. These studies were conducted through experiments which aimed at the reproducing of G. paniculata in semisolid and liquid media in bioreactors with a temporary immersion system (TIS) and the establishment and initial shoot induction of D. sanderiana, testing several explants and growth regulators, as well as at evaluating oxidative stress in vitro, occurred in the establishment phase. In this context, the study aimed at: a) conducting a comparative analysis between the multiplication of Gypsophila paniculata in vitro, both by conventional system and through bioreactors with temporary immersion system; b) defining an efficient protocol for in vitro establishment of Dracaena sanderiana and analyzing the activity of its antioxidant enzymes during the establishment process. Regarding the results of G.paniculata’s micropropagation and multiplication, the temporary immersion bioreactor system was more efficient, demonstrating greater proliferation of shoots and a greater number of leaves. Concerning D. sanderiana, results showed that the most promising decontamination procedure for the species was with sodium hypochlorite 2% for 15 minutes and 10 minute washes with Cetazima 250 mgL-1, with the addition of PPM to the cultural environment. Among the media tested, MS semisolid environment supplied with 15 mgL-1 2ip and 0.5 mgL-1 AIA and subsequent decrease to 2mgL-12ip presented the best results regarding the bud establishment and formation. In the enzymatic analysis, after 20 days in vitro, D.sanderiana explants already presented an adaptation to the environment, whether it be exposed to light or dark.

Para produção de biofármacos protéicos, como a eritropoietina recombinante humana (EPOrh), são necessárias alterações pós-traducionais adequadas que garantam a sua especificidade e atividade biológica. Essas características são obtidas apenas em biorretores baseados em células eucarióticas, como as da glândula mamária. Sistemas baseados nesse tipo celular, tanto in vivo quanto in vitro, já são utilizados para produção estratégica e viável de proteínas recombinantes biologicamente ativas. Assim, tanto o estabelecimento de novas linhagens de células mamárias que apresentem boa expressão protéica quanto o desenvolvimento de sistemas in vivo que utilizem a estrutura da glândula mamária para essa produção de proteínas recombinantes são de grande valia. O presente trabalho teve como objetivo comparar dois métodos de estabelecimento de uma cultura de células de glândula mamárias ovinas, enzimático e não enzimático, e verificar sua capacidade de expressão das proteínas do leite β-lactoglobulina, α-caseína, β-caseína e κ-caseína mediante o tratamento com SFB (soro fetal bovino) ou SOL (soro de ovelha lactante), na presença ou não de Matrigel. Para isso, foi realizado um experimento in vitro, no qual foi estabelecido o cultivo celular até a passagem 12 (P12) de duas linhagens celulares: digerida (LD) e não digerida (LND). Para a LD na P12 foi observado apenas um tipo celular, o qual era positivo para a marcação com vimentina. Essa linhagem apresentou expressão gênica de β-caseína e β-lactoglobulina apenas quando tratada com meio de cultivo acrescido de SFB, sendo a expressão inferior (P=0,001) ao grupo da LND submetido ao mesmo tratamento. Já a LND, quando tratada com meio adicionado com SFB expressou κ-caseína além da β-caseína e β-lactoglobulina. A troca do SFB do meio de cultivo por SOL aumentou a expressão gênica de β-lactoglobulina (P=0,001) para ambas linhagens. Foi realizada a curva de crescimento para LD e LND na P12 com o meio de cultivo acrescido com SFB ou SOL. Para a LND observou-se o efeito do meio na velocidade de crescimento celular, sendo que foi maior para o grupo tratado com SFB (P<0,05). Para a LD, não ocorreu o efeito do meio na velocidade de crescimento celular (P>0,05), não sendo observada diferença com a LND tratada com SOL (P>0,05). A LND apresentou marcação positiva para a presença de vimentina e citoqueratina. Este trabalho visou, ainda, estabelecer um sistema de produção da EPOrh no leite de ovelhas não transgênicas pela técnica de infusão intra-mamária in vivo de dois plasmídeos diferentes e verificar a secreção qualitativa desta proteína por Western-blotting. Assim, foi feito um experimento in vivo no qual glândulas mamárias de ovelhas foram transfectadas com dois plasmídeos diferentes: ALAC (n=2), BGL (n=2) e controle negativo (n=2). Após a infusão dos plasmídeos, foi realizada a eletroporação de cada teto (3 choques de 500 volts com a duração de 15ms cada, sendo realizada a inversão da polaridade). Os animais foram ordenhados durante 20 dias após a transfecção, porém não foi possível detectar a presença de EPOrh nas amostras de leite analisadas. O limiar de detecção do teste utilizado foi de 67,5pg de EPOrh (Eritromax®) em leite controle negativo de ovelha. Concluindo, foi possível estabelecer o cultivo in vitro das LD e LND com capacidade de expressar proteínas do leite, sendo a expressão da β-lactoglobulina aumentada pelo tratamento com SOL. Ambas as linhagens apresentaram marcação positiva para vimentina, mas apenas LND para citoqueratina. Ainda, para o experimento in vivo, não foi possível detectar a expressão de EPOrh no leite das ovelhas transfectadas com os plasmídeos ALAC e BGL. / Some post-translational modifications are necessary for the production of biopharmaceutical proteins, such as recombinant human erythropoietin (rhEPO), with a good specific action and a high biological activity. These modifications are obtained only by bioreactors based on eukaryotic cell as mammary cells. Bioreactors, in vivo or in vitro, with this kind of cell have been used for a viable and strategic production of biologically active recombinant proteins. For this reason, the establishment of a new line of mammary cells with high milk protein expression and the development of systems for production of recombinant proteins by the mammary gland in vivo are essential studies. One of the main objectives of this study was to compare two methods, enzymatic and non-enzymatic, to establish ovine mammary cells culture and verify their gene expression of milk proteins such as β-lactoglobulin, α-casein, β-casein and κ-casein with different treatments: LOS (lactating ovine serum) or FBS (fetal bovine serum) added to the culture medium, in the presence or absence of Matrigel®. In this manner, an in vitro study was performed and the culture of two lines were established, digested (DL) and non-digested (NDL), of ovine mammary cell until the passage 12 (P12). In DL was observed just one cellular type that was positive for staining with vimentin. This cell line expressed β-lactoglobulin and β-casein genes with the FBS treatment and without Matrigel. The gene expression was lower (P=0,001) when compared to the NDL under the same conditions of culture. Then, the NDL expressed β-lactoglobulin, β-casein and κ-casein genes when treated with FBS without Matrigel. The treatment with LOS in the culture medium increased the gene expression of β-lactoglobulin for both cell lines. The growth curve was determined with both cell lines in P12 with FBS or LOS treatment. For the NDL, the type of medium had effect on the cell growth speed and was highest with the FBS treatment (P<0,05). However, the medium did not have effect on growth speed of LD (P>0,05) and no difference was observed at the NDL treated with LOS (P>0,05). The NDL was positive for staining with vimentin and cytokeratin. The second main objective of this study was to establish an in vivo system for the production of rhEPO in milk of non-transgenic ewes by the intra-mammary infusion of two different plasmids and verify the qualitative milk secretion of this protein by western-blotting. In this way, in the in vivo experiment ovine mammary glands were transfected with two different plasmids: ALAC (n=2), BGL (n=2) and negative control (n=2). Each half udder was filled with plasmid solution and three 3 electric pulses of 500 volts were applied for 15ms each, followed by another three pulses with reversed polarity. The three animals were milked for 20 days after transfection, nevertheless it was not possible to identify rhEPO in any milk sample. The test threshold to identify rhEPO (Eritromax®) in milk from a negative control animal was 67,5pg. In conclusion, the in vitro culture of NDL and DL was established up to the P12 with expression of milk protein and the LOS treatment increased the expression of β-lactoglobulin. The two cell lines culture were positive for staining of vimentina but only NDL was positive for cytokeratin. In the in vivo experiment, rhEPO secretion was not detected in the milk from ewes transfected with ALAC and BGL plasmids.

CAPES / As indústrias de celulose são caracterizadas pelo alto consumo de água em seus processos produtivos, gerando consequentemente grandes volumes de efluentes líquidos que apresentam na maior parte de sua composição compostos lignínicos, matéria orgânica, cor e toxicidade. O efluente de celulose, quando não tratado ou tratado de forma indevida, pode comprometer a qualidade da água dos corpos receptores, por conter substâncias tóxicas à comunidade aquática. O objetivo do trabalho foi avaliar a eficiência de tratamento de efluente de celulose e papel por reator MBBR, através da remoção de matéria orgânica (DQO e DBO5), compostos fenólicos, cor, compostos lignínicos e aromáticos. Para isso um reator MBBR em escala de bancada foi operado por 180 dias com diferentes velocidades de carga orgânica 0,2; 0,4; 1,2; 4,0; 9,0 kgDQO/L.d. Neste foi quantificada também a biomassa aderida e em suspensão na massa liquida. O efluente analisado apresentou 48 e 94% de remoção de DQO e DBO5 respectivamente, também houve remoção de compostos fenólicos e cor de 24 e 12% para VCO de 0,4 kgDQO/L.d, para mesma VCO a remoção de compostos lignínicos e aromáticos foi de 16 e 8,5 % respectivamente. / The pulp mills are characterized by high water consumption their production processes, thereby generating large volumes of effluents that present in most of composition lignínicos compounds, organic matter, color and toxicity. The wastewater from pulp, if left untreated or treated improperly, can compromise the water quality of receiving waters, which contain substances toxic to the aquatic community. The objective of this study was to evaluate the efficiency of wastewater treatment of pulp and paper by MBBR reactor, through the removal of organic matter (COD and BOD5), phenolic compounds, color, and aromatic compounds lignínicos. To this reactor MBBR bench scale was operated for 180 days with different speeds organic load 0.2, 0.4, 1.2, 4.0, 9.0 kgCOD / Ld This was also quantified and attached biomass in suspension in the liquid mass. The wastewater analysis showed 48 and 94% removal of COD and BOD5 respectively, were also removing phenolic compounds and color of 24 and 12% for 0.4 kgDQO VCO / Ld VCO same for removal of aromatic compounds and was lignínicos 16 and 8.5% respectively.

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Neste trabalho é proposto o desenvolvimento de um processo para a biofixação do dióxido de carbono através do uso de microalgas. Para o cultivo desses microrganismos foram utilizados fotobiorreatores do tipo airlift. Nos cultivos foram avaliadas espécies de microalgas (Chlorella sp. e Chlorella minutissima), influência da intensidade luminosa (2.200 a 24.500 lx), concentração salina (28 a 40 g.L-1) e temperatura (25 °C a 35 °C) sobre a concentração de biomassa, velocidade específica de crescimento, produtividade de biomassa, biofixação de CO2, conteúdo lipídico e carotenoides totais. Também foi realizada a identificação dos carotenoides. A microalga escolhida para os testes em fotobiorreatores foi a C. minutissima. A intensidade luminosa que apresentou os melhores resultados foi a de 17.000 lx. A temperatura mostrou possuir influência significativa na concentração de biomassa, na velocidade específica de crescimento e na biofixação de carbono, mas a concentração salina influenciou apenas a velocidade específica de crescimento. A temperatura de 25 °C apresentou as maiores produtividade de biomassa (0,094 g.L-1.d-1) e concentração de biomassa (0,43 g.L-1), independente da concentração salina, e as maiores velocidade específica de crescimento (0,81 d-1) e biofixação de CO2 (12 gCO2.m-3.h-1), na concentração salina de 37 g.L-1. O conteúdo lipídico médio das microalgas foi de 13,2 % e os carotenoides totais apresentaram teor de 0,25 % do peso seco das microalgas em todas as condições de concentração salina e temperatura testadas. Foi possível identificar a produção dos carotenoides luteína, zeaxantina e β-caroteno. / The present study proposes the development of a process for carbon dioxide biofixation through the use of microalgae. Flat-plate airlift photobioreactors were used. Microalgaes species (Chlorella sp. and Chlorella minutissima) and the influence of light intensity (2,200 to 24,000 lx), salt concentration (28 to 40 g.L-1) and temperature (25 to 35 °C) over biomass concentration, specific growth rate, biomass productivity, CO2 biofixation rate, lipid content and total carotenoids content were evaluated. The identification of the carotenoids was performed. C. minutissima showed the best performance in shaker and was chosen for the tests in photobioreactor. The light intensity of 17,000 lx presented the best results. The temperature showed to have significant influence over biomass concentration, specific growth rate and CO2 biofixation rate, but the salt concentration only affected the specific growth rate. The temperature of 25 °C allowed the highest biomass productivity (0.094 g.L-1.d-1) and biomass concentration (0.43 g.L-1), independent of salt concentration, and the highest specific growth rate (0.81 d-1) and CO2 biofixation rate (12 gCO2.m-3.h-1) at the salt concentration of 37 g.L-1. The average lipid content of the microalgae was 13.2 % and the total carotenoids content were about 0.25 % of the cell dry weight at all temperatures and salt concentrations tested. It was possible to identify the production of the carotenoids lutein, zeaxanthin and β-carotene.

Uma potencial alternativa para o transplante de tecidos é a engenharia de tecidos. Células-tronco mesenquimais e scaffolds eletrofiados são comumente utilizados nesta área devido à capacidade multipotente de diferenciação destas células e à rede de poros interconectados destas estruturas fibrosas. Além disso, bioreatores de perfusão podem ser utilizados para melhorar o transporte de nutrientes e reduzir o acúmulo de metabolitos tóxicos. Neste contexto, uma maneira de estudar e otimizar o sistema de cultivo é utilizar técnicas de modelagem para descrever interações ou processos individuais envolvidos no crescimento celular. Deste modo, o objetivo geral deste estudo é realizar o cultivo de células-tronco mesenquimais da polpa de dente decíduo (DPSCs) utilizando scaffolds tridimensionais eletrofiados de policaprolactona (PCL), biorreatores e técnicas de modelagem. Inicialmente foram testadas diferentes misturas de solventes (clorofórmio e metanol), a fim de produzir scaffolds com poros adequados ao cultivo tridimensional. Os diâmetros de fibra e de poro foram determinados por microscopia eletrônica de varredura (MEV). O crescimento e o metabolismo das células foram avaliados através da determinação da atividade metabólica e das concentrações de glicose e lactato do meio de cultivo, e a infiltração celular foi observada com a marcação do núcleo celular. Depois de estabelecidos os parâmetros de eletrofiação, o efeito da perfusão direta no desprendimento de DPSCs de scaffolds eletrofiados de PCL foi estudado. A atividade metabólica das células foi determinada para diferentes tempos de adesão, vazões e densidades de semeadura, e a tensão de cisalhamento na parede do poro foi calculada para cada vazão. A morfologia das células foi avaliada através de imagens de microscopia confocal e MEV. Paralelamente, foram realizadas simulações utilizando o software OpenFOAM para estudar como os parâmetros e variáveis de entrada (concentração inicial de glicose, porosidade e espessura do scaffold) afetam as saídas (fração volumétrica de células e concentração de substrato) de um modelo de proliferação celular que considera a difusão e o consumo de glicose. As contribuições do teor de oxigêno na cinética de crescimento de Contois e da variação da porosidade com o tempo devido à degradação do polímero também foram avaliadas. Inicialmente, foi observado que apenas um tamanho de poro maior que o diâmetro da célula permitiu a infiltração das células no scaffold. Então, observou-se que o aumento do tempo de adesão acarretou em maior espalhamento das células e, assim como a diminuição da densidade de semeadura e da tensão de cisalhamento, resultou em uma redução do desprendimento das células sob perfusão. Quanto ao modelo fenomenológico, observou-se maior sensibilidade à concentração inicial de glicose e à porosidade do scaffold, e aos parâmetros adimensionais relacionados à proliferação e morte celular e ao consumo de nutrientes. Além disso, o número inicial de células apresentou maior impacto no transporte de massa do que no crescimento celular. Neste estudo, foi possível obter scaffolds eletrofiados e conduções de cultivo dinâmico adequadas ao cultivo tridimensional de DPSCs, e elucidar os efeitos da limitação do transporte de massa e do oxigênio no crescimento celular, e da degradação do polímero no transporte de massa. / A potential alternative to tissue transplant is tissue engineering. Mesenchymal stem cells and electrospun scaffolds are commonly used in this field due to the multipotent differentiation capacity of these cells and the interconnected pore network of these fibrous structures. In addition, perfusion bioreactors can be used to enhance nutrient transport and reduce the accumulation of toxic metabolites. In this context, one way to study and optimize the culture system is to use modeling techniques to describe interactions or individual processes involved in cell growth. Thus, the objective of this study is to perform the three-dimensional culture of mesenchymal stem cells of dental pulp (DPSCs) using electrospun polycaprolactone (PCL) scaffolds, bioreactors and modeling techniques. Initially, different solvent mixtures (chloroform and methanol) were tested to produce scaffolds with pores suitable to three-dimensional culture. Fiber and pore diameter was determined using a scanning electron microscope. Cell growth and metabolism were evaluated through the metabolic activity and the culture medium concentration of glucose and lactate, and the cell infiltration was observed with cell nuclei staining. After the establishment of the elesctrospinning parameters, the effect of direct perfusion on DPSCs detachment from PCL electrospun scaffolds was investigated. The metabolic activity of the cells was determined for different adhesion times, flow rates and seeding densities and the pore wall shear stress was calculated for each flow rate. The cell morphology was evaluated through scanning electron and confocal microscopy imaging. In parallel, simulations with the software OpenFOAM were performed to study how parameters and inputs (initial glucose concentration, porosity and thickness of the scaffold) affect the outputs (cell volume fraction and substrate concentration) of a model of cell proliferation and glucose diffusion and consumption. The contribution of the oxygen in the Contois growth kinetics and the porosity variation with time due to polymer degradation was also evaluated. Initially, it was observed that only a pore size higher than the cell diameter allowed the infiltration of the cells through the scaffold. Then, it was observed that a higher adhesion time leaded to higher cell spreading in static conditions and, similar to smaller seeding densities and shear stresses, reduced cell detachment under perfusion. Regarding the phenomenological model, it was observed that the model is more responsive to the initial glucose concentration and scaffold porosity, and to the dimensionless parameters related to cell proliferation, death and nutrient uptake. Furthermore, the initial cell number had a more significant impact on mass transport than on cell growth. In this study, it was possible to obtain an electrospun scaffold and dynamic culture conditions suitable for the three-dimensional culture of DPSCs, and to elucidate the effects of transport limitations and of oxygen on cell growth, and of polymer degradation on mass transport were elucidated.

O soro e o permeado de soro de queijo, subprodutos da indústria de laticínios, constituem-se substratos alternativos, ricos em nutrientes e de grande potencial para a produção de etanol. Diante da necessidade de melhorias em processos fermentativos, a tecnologia de imobilização celular pode contribuir positivamente para processos mais eficazes e vantajosos. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo aperfeiçoar a produção de etanol a partir de soro e permeado de soro de queijo por diferentes leveduras em biorreatores de células imobilizadas operados em regime batelada e em sistema contínuo, bem como representar matematicamente o bioprocesso. Na primeira etapa deste trabalho, diferentes linhagens de Kluyveromyces marxianus e diferentes meios de cultivo foram testados em agitador rotacional e em biorreator de células imobilizadas, e os efeitos da taxa de diluição (D) e da concentração de substrato (C WP ) foram investigadas em biorreatores contínuos. Altos fatores de conversão (YEtOH/S) e de produtividade volumétrica (QP) foram obtidos pela linhagens K. marxianus CCT 4086 tanto em agitador rotacional quanto em biorreator com células imobilizadas em alginato de cálcio operado em regime batelada (0,47 g L-1 e 2,53 g L-1 h-1). Diante disso, esta linhagem foi escolhida para os testes posteriores. Aumentos consideráveis nos parâmetros de fermentação (YEtOH/S e QP) foram obtidos a partir do planejamento experimental hexagonal em biorreatores operados continuamente (0,51 g g-1 e 6,01 g L-1 h-1). Melhorias no processo ainda foram alcançadas em biorreatores contínuos de dois estágios operados em sequência, em que alta produtividade volumétrica (6,97 g L-1 h-1) e concentração de etanol (70,4 g L-1) foram observadas. Em uma segunda etapa deste trabalho, linhagens de Saccharomyces cerevisiae foram testadas para a bioconversão de soro e permeado de soro de queijo a etanol. Diferentes leveduras imobilizadas e estratégias de cultivo foram utilizadas para bioconverter meios não concentrados e concentrados, em biorreatores de leito fluidizado. Valores similares dos parâmetros fermentativos (YEtOH/S e QP) foram obtidos para o monocultivo das linhagens de S. cerevisiae (CAT-1 e PE-2). O co-cultivo de S. cerevisiae CAT-1 e K. marxianus CCT 4086 aumentou em quatro vezes a produtividade volumétrica em permeado de soro de queijo e em 69 % em soro de queijo, mas não superou os altos valores obtidos pela monocultura de K. marxianus CCT 4086 (0,49 g g-1 e 1, 68 g L-1 h-1). Aumentos na concentração de etanol foram alcançados a partir de meio concentrado (79,1 g L-1), e melhorias na produtividade volumétrica foram obtidas a partir de batelada repetida (2,8 g L-1 h-1). Em uma terceira etapa, foi realizada a modelagem matemática do bioprocesso da produção de etanol por soro de queijo a partir de K. marxianus CCT 4086, linhagem esta que conferiu os melhores resultados ao longo deste trabalho. O sistema contínuo A-stat (accelerostat technique) foi utilizado, tanto para cultivos de células livres quanto imobilizadas, onde duas taxas de aceleração foram testadas. Quatro modelos matemáticos não estruturados foram analisados, levando em consideração a limitação pelo substrato e a inibição pelo produto. Os resultados mostraram que as taxas de diluição (D) e de aceleração (a) afetam a fisiologia e o metabolismo celular. O estado estacionário foi alcançado para a menor taxa de aceleração (a = 0,0015 h-2), e um alto fator de conversão foi obtido (0,52 g g-1) nesta condição. A imobilização celular contribuiu para o aumento do fator de conversão em 23 % na condição de maior taxa de aceleração testada (a = 0,00667 h-2). Alto ajuste dos modelos preditivos para biomassa, substrato e produto foi obtido a partir da maior taxa de aceleração, contudo o fenômeno biológico foi melhor representado para a menor taxa de aceleração. Os modelos de Monod e de Levenspiel combinado com Ghose e Tyagi foram os mais apropriados para descrever o bioprocesso. / Whey and whey permeate, by-products of the dairy industry, are alternative substrates, rich in nutrients and with great potential for use in the ethanol production. Considering the need for improvements in fermentation processes, cell immobilization technology can positively contribute to more effective and advantageous bioprocesses. In this context, the aim of this work was to optimize the ethanol production from whey and whey permeate by different yeasts on immobilized batch fluidized bed bioreactors and in continuous systems, and also describe mathematically the bioprocess. In the first step, different strains of K. marxianus and cultivation media were tested in batch mode and the effects of dilution rate (D) and substrate concentration (C WP ) were investigated in continuous bioreactors. High ethanol yield (YEtOH/S) and ethanol productivities (QP) were obtained by K. marxianus CCT 4086, for both in shaker cultivation and in batch fluidized-bed bioreactors with immobilized cells in Ca-alginate (0.47 g L-1 e 2.53 g L-1 h-1). This strain was chosen for subsequent tests. Substantial increases in the fermentation parameters (YEtOH/S e QP) were obtained from the hexagonal experimental design in continuous bioreactors (0.51 g g-1 e 6.01 g L-1 h-1). Process improvements were achieved in two continuous fluidized-bed bioreactors operated in sequence, wherein high ethanol productivities (6.97 g L-1 h-1) and concentrations (70.4 g L-1) were obtained. Then, in a second step of this study, strains of S. cerevisiae were tested to bioconversion of lactose-hydrolysed whey and whey permeate into ethanol. Different immobilized strains in monoculture and coculture were used to the bioconversion of not concentrated or concentrated mediums in batch fluidized bed bioreactors. Similar values of the fermentation parameters (YEtOH/S e QP) were obtained for the strains S. cerevisiae (CAT-1 and PE-2). The co-culture of S. cerevisiae CAT- 1 and K. marxianus CCT 4086 increased four times the ethanol productivity in lactosehydrolyzed whey permeate and 69 % in lactose-hydrolyzed whey, but not attained the high values of K. marxianus CCT 4086 monoculture (0.49 g g-1 e 1.68 g L-1 h-1). Increases in the ethanol concentrations (79.1 g L-1) were obtained from concentrated media, and improvement in ethanol productivities was obtained by repeated batch (2.8 g L-1 h-1). In a third step, the mathematical modeling of the ethanol production from whey was performed, using K. marxianus CCT 4086 as biocatalyst due to the better results attained throughout of this work. The continuous A-stat system (accelerostat technique) was used for both free cell cultures and immobilized, and two acceleration rates were tested. Four unstructured mathematical models were analyzed, taking into account the limiting substrate and product inhibition. The results showed that the dilution rate (D) and the acceleration rate (a) affected cell physiology and metabolism. The steady state was attained for the lower acceleration rate (a = 0.0015 h-2), and in this condition a high ethanol yield was verified (0.52 g g-1). Cell immobilization increased 23 % of the ethanol yield for the highest acceleration rate (a = 0.00667 h-2) tested. High fit of the predictive models of biomass, lactose and ethanol concentrations were obtained from the high acceleration rate, however the biological phenomenon was better described for the lower acceleration rate. Among the set of models evaluated, Monod and Levenspiel combined with Ghose and Tyagi models were found to be more appropriate for describing the bioprocess.