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.

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.

Neste trabalho, são descritos os detalhes da montagem de um sistema de cultivo microbiano em estado sólido, cujo elemento principal é um biorreator de tambor rotativo em escala de bancada, com casco em vidro refratário com aproximadamente 6,2 litros de volume. A montagem do equipamento exigiu estudos para a definição dos seguintes aspectos: geometria do reator; controle de frequência e período de agitação; umidificação, aquecimento e controle do fluxo do ar injetado no sistema; mistura do meio de cultivo; medição e controle da temperatura do meio; retirada de amostras. O sistema desenvolvido foi avaliado, tendo como processo fermentativo modelo o cultivo de Aspergillus niger T0005/007-2, microrganismo produtor de enzimas pectinolíticas. Os testes foram feitos em um meio contendo farelo de trigo como suporte sólido, avaliando-se a influência de três parâmetros principais agitação, massa de meio de cultivo e temperatura do meio sobre o crescimento celular e a produção de endo-poligalacturonase (PG) por A. niger. Três formas de agitação do meio sólido foram comparadas: sem agitação; agitação a 1 rpm por 5 minutos a cada duas horas; agitação a 1 rpm por 1 hora e 55 minutos a cada duas horas. A segunda forma de agitação levou ao melhor crescimento celular, 81 mg.g-1, e a atividade de endo-PG da ordem de 80 U.g-1, semelhante ao estimado com o sistema estático. Com a terceira forma de agitação, aparentemente houve dano ao micélio fúngico e, com isso, resultados inferiores foram alcançados. A avaliação do efeito da massa de meio de cultivo sobre o processo foi feita com cargas crescentes de meio que resultaram na ocupação de 30, 45 e 60 % do volume útil do reator. Quanto ao crescimento celular, o melhor resultado foi alcançado com a menor carga de meio, enquanto que a carga intermediária resultou no mais alto título enzimático final, 107,2 U.g-1. Nos experimentos sobre a influência da temperatura sobre o cultivo de A. niger, a maior atividade enzimática (80,6 U.g-1) foi obtida numa condição de trabalho que permitiu que a temperatura do meio atingisse valores da ordem de 45ºC. Com o meio mantido a 30ºC, a atividade enzimática máxima foi substancialmente mais baixa, 46,4 U.g-1. Nos testes realizados com o processo modelo, não se verificou uma clara influência positiva da agitação sobre a produção de endo-PG. Entretanto, a partir dos experimentos com temperatura controlada, é possível sugerir que a formação de endo-PG é favorecida por uma condição de estresse para o microrganismo, no caso representado por temperaturas do meio acima de 40ºC, visto que a temperatura ideal de crescimento de A. niger encontra-se na faixa de 28 a 34ºC. Este resultado, que discorda do que é genericamente descrito na literatura especializada sobre cultivos em estado sólido, é um exemplo da importância de dispor-se de um biorreator de tambor rotativo de pequena escala como equipamento básico para a realização de estudos fundamentais a respeito deste tipo de processo. Adicionalmente, o fato de o corpo do reator ser construído em vidro permite a visualização do espaço interno do tambor rotativo e observar o efeito da agitação sobre o meio de cultivo. / In this work, details on the assembling of a solid state cultivation system, whose main component is a bench scale rotating-drum bioreactor, are described. The bioreactor was built in refractory glass and has an approximate volume of 6.2 liters. To assemble the equipment, the following aspects have been studied: geometry of the bioreactor; control of frequency and period of agitation; moistening, warming and controlling of the inlet air flux; mixing of cultivation medium; determination and control of medium temperature; sample withdrawn. The developed system was evaluated, being the cultivation of the pectinolytic enzymeproducing microorganism Aspergillus niger T0005/007-2 used as the model process. The fermentative tests were carried out in a medium containing wheat-straw as solid support and were used to evaluate the effects of three main parameters agitation, mass of cultivation medium and medium temperature on the cell growth and the production of endopolygalacturonase (endo-PG) by A. niger. For agitation of the solid medium, three modes were compared: no agitation; agitation of 1 rpm for 5 minutes each 2 hours; agitation for 1 hour and 55 minutes, each 2 hours. The second mode of agitation led to the best cell growth, 81 mg.g-1, and to endo-PG activity of approximately 80 U.g-1, similar to that obtained with the static system. With the third mode of agitation occurred, apparently, some damage to fungus mycelium and inferior results were achieved. The evaluation of the mass of cultivation medium on the process was done by loading the reactor with masses that result in the occupation of 30, 45 and 60% of the working volume of the bioreactor. With respect to the cell growth, the best result was attained with the smallest load of medium, whereas the intermediate load resulted in the highest endo-PG activity, 107.2 U.g-1. In the experiments on the influence of the temperature on the cultivation of A. niger, the largest endo-PG activity (80.6 U.g-1) was obtained in a process condition that allowed that the temperature reached values close to 45ºC. When the medium temperature was controlled at 30ºC, the endo-PG activity was substantially lower, 46.4 U.g-1. In the tests with the model process, no clearly positive influence of agitation on the production of endo-PG was observed. From the temperature-controlled experiments however, it is possible to suggest that endo-PG formation is favored by a stress condition for the microorganism, represented in this case by medium temperatures over 40ºC, since the optimal temperatures for A. niger growth is found in the range of 28 to 34ºC. This result disagrees from what is generically described in the specialized literature for the solid state cultivations, being this fact an example of the importance of having a small-scale rotating-drum bioreactor as a basic equipment for fundamental studies on that type of fermentative process. Additionally, the fact of the reactor body being built on glass allows the inspection of the internal space of the rotating drum and to observe the effects of agitation on the cultivation medium.

Orientador: João Cláudio Thoméo / Resumo: Este trabalho tem como objetivo produzir esporos do fungo Metarhizium anisopliae IBCB 425 em biorreator de leito empacotado visando o aumento da escala, propondo ainda alternativas para a extração dos esporos do meio de cultivo. Também se propõe compreender a preferência do fungo pelo arroz como substrato, procurando-se alternativas para redução dos custos de produção relativos a este substrato. Para isso, realizou-se o cultivo e o reuso do substrato em embalagens plásticas, onde se observou que o cultivo em arroz tipo 1 ainda é o melhor substrato para o fungo, quando comparado com os utilizados neste trabalho sendo, quirera de arroz e farelo de arroz, porém para o aumento de escala e reuso do substrato, a melhor alternativa é a mistura de arroz com bagaço de cana-de-açúcar na proporção de 9:1. Também se realizou ensaios em biorreatores de leito empacotado de 7.62 cm e 20 cm de diâmetro, utilizando a mistura de arroz e bagaço como substrato, e observou-se que, para ambas as configurações, o bagaço evitou a compactação do leito, não se observando temperaturas elevadas que interferissem no desenvolvimento do microrganismo. Com as análises de degradação do amido e da atividade das enzimas amilase total, alfa – amilase e protease, foi possível concluir que o fungo se desenvolve de maneira distinta a cada uso dos grãos e que, o maior consumo de amido ocorre no primeiro cultivo (R1), reduzindo-o em cerca de 30%. Análises de microscopia óptica foram realizadas nos grãos cultivados, ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work aimed to produce spores of the entomopathogenic fungus Metarhizium anisopliae IBCB 425 in packed-bed bioreactors targeting the scale-up, and also to propose alternatives to the extraction of the spores from the cultivation medium. The understanding of the preference of the fungus for the long rice as substrate was also verified in order to reduce the production costs associated to the rice. Therefore, the rice was cultivated in plastic packages and it was noticed that rice is still the best substrate for the fungal growth, even though for the scale-up and reutilization of the substrate it was necessary to mix it with sugarcane bagasse at a proportion 9:1 (rice:bagasse). Experiments in packed-beds of 7.62 and 20 cm internal diameter have been carried out using the mixture rice:bagasse and for both sizes no compaction was noted and no excessive temperature took place. From starch analysis and from the activities of total amylase, alpha-amylase and protease it was noticed that the microbe develops distinctly in each consecutive cultivation of rice, and that after the first cultivation (R1), the starch content was reduced by 30%. Optical microscopy of the cultivated grains revealed that during R1 the fungal hyphaes penetrated the grains, but during the second (r2) and third (R3) cultivations the fungal growth is restricted to the grain surface. It was observed a substrate mass reduction in the packed-bed experiments of 24%, 20% and 17% after R1, R2 and R3, respectively.... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

O reator anaeróbio em batelada seqüencial é constituído por um frasco de vidro cilíndrico de volume total de cinco litros, envolvido por uma camisa de vidro, por onde escoa a água aquecida, permitindo a operação em temperatura controlada. A biomassa encontra-se imobilizada em partículas cúbicas de espuma de poliuretano (densidade aparente de 23 kg/\'M POT.3\', as quais estão colocadas em um cesto adaptado dentro do frasco cilíndrico. A mistura é promovida por três impelidores de 3,0 cm de diâmetro, distanciados 4,0 cm um do outro, situados ao longo do eixo vertical no centro do reator. O desempenho dessa nova configuração de reator anaeróbio foi avaliado sob diferentes condições os efeitos de transferência de massa nas fases sólida e líquida. Todos os ensaios foram efetuados à temperatura de 30 ± 1 grau Celsius. Cada batelada compreende três etapas: alimentação, reação e descarga. Para avaliar os efeitos da transferência de massa na fase sólida foram feitos quatro ensaios utilizando-se partículas cúbicas de espumas de poliuretano com tamanhos de 0,5 cm; 1,0 cm; 2,0 cm e 3,0 cm de lado, com impelidor tipo hélice e intensidade de agitação de 500 rpm, determinada através de um ensaio preliminar. Para avaliar os efeitos da transferência de massa nas fases sólida e líquida foram feitos experimentos com quatro tipos de impelidores: hélice, turbina plana, turbina inclinada e turbina curva, com intensidades de agitação na faixa de 100 rpm a 1100 rpm. Também foram realizados ensaios hidrodinâmicos para verificar o tempo de mistura e ensaio para verificar a condição de anaerobiose no sistema. A água residuária utilizada em todos os ensaios foi sintética com concentração de 530 ± 37 mg DQO/L. Em todas as condições estudadas o reator apresentou boa eficiência de remoção da matéria orgânica, em torno de 87%. A concentração efluente de ácidos voláteis totais manteve-se em 13 ± 9 mg HAc/L, alcalinidade a bicarbonato de 223 ± 14 mg Ca\'CO IND.3\'/L e pH entre 6,7 e 7,2. A transferência de massa na fase sólida não foi a etapa limitante na conversão da matéria orgânica, quando partículas de 0,5 cm a 2,0 cm de aresta foram usadas no reator anaeróbio em batelada seqüencial. A resistência à transferência de massa na fase sólida somente influenciou a taxa global de reação, quando foram usados tamanhos de partículas cúbicas de 3,0 cm de aresta. A resistência à transferência de massa na fase líquida não foi somente afetada pela intensidade de agitação, mas também pela eficiência da mistura obtida por cada tipo de impelidor. A mistura do líquido dentro do reator obtida pelo impelidor turbina plana foi a mais eficiente. O uso deste tipo de impelidor resultou em menores consumos de energia e ótimo desempenho do reator com baixas taxas de agitação. Os resultados deste estudo permitiram concluir que esta nova configuração não permite a manutenção de condição de anaerobiose estrita no meio, principalmente quando altas intensidades de agitação foram aplicadas e as limitações da eficiência do processo, neste sistema, estão relacionadas principalmente as resistências à transferência de massa do que restrições cinéticas bioquímicas. / The bench-scale anaerobic sequencing batch reactor consisted of a cylindrical glass flask with a total capacity of 5 liters. The reactor was surrounded by a water jacket that allowed the operation to proceed at a constant temperature throughout the experiment. The biomass was immobilized in 5-mm cubic particles of polyurethane foam (apparent density of 23 kg/\'M POT.3\') placed in a basket inside the cylindrical flask. The mixing was provided by three mechanical impellers with diameters of 3 cm, placed 4 cm apart along a vertical axis, at the center of the reactor. All experiments were conducted at the temperature of 30 Celsius degrees. Each batch consisted of three steps: feed, react and liquid withdrawal. The performance of this new reactor configuration was evaluated under different conditions of solid and liquid-phase mass transfer. In order to evaluate the effects of the solid-phase mass transfer, four experiments were carried out with cubical polyurethane foam particles of 0.5 cm, 1.0 cm, 2.0, cm and 3.0 cm side, and with propeller impellers rotating at 500 rpm, achieved by preliminary experiment. The effects of the liquid-phase mass transfer were evaluated through four experiments with four types of impellers: propeller, flat-blade, pitched-blade and curved-blade turbines, at agitation rates from 100 rpm and 1100 rpm. A hydrodynamic test was also carried out in order to verify the mixing time, energy consumption and occurrence of strict anaerobic activity in system. A low-strength synthetic substrate was used in all the experiments with a mean chemical oxygen demand (COD) of 530 ± 37 mg DQO/L. The influence of the solid and liquid-phase mass transfer on the reactor\'s performance was assessed by measuring COD temporal profiles along batch cycles. In all conditions studied the reactor achieved good efficiency, with mean removal of organic matter (COD) of 87%. The effluent mean TVA concentration was 13 ± 9 mg HAc/L, bicarbonate alkalinity was 223 ± 14 mg Ca\'CO IND.3\'/L and the pH values ranged from 6,7 e 7,2. The solid-phase mass transfer was not the limiting step in the organic matter conversion when 0.5 to 2.0-cm side bioparticles were used in the anaerobic sequencing batch reactor. Solid-phase mass transfer resistance only influenced the overall reaction rate when 3.0-cm cubic bioparticles were used. The liquid-phase mass transfer resistance was affected both by agitation and by efficiency of mixture provided by each type of impeller. Among the impellers assayed, the flat-blade one was the most efficient in providing the required mixing conditions. The use of this type impeller resulted in small energy consumption and excellent performance of the reactor with low agitation rate (N = 300 rpm). The results of this study also indicated that this new configuration did not provide conditions for the establishment of strict anaerobic conditions, mainly when high agitation rates were used. Anaerobic process efficiency limitations in this system were mainly related to mass transfer resistances rather than biochemical kinetic restrictions.

A crescente demanda por biocombustíveis e a concorrência dos combustíveis fósseis torna necessária a otimização dos meios já existentes e o desenvolvimento de novas tecnologias para produção de biocombustíveis, principalmente em projetos envolvendo biorreatores e fotobiorreatores (FBR) industriais. A dinâmica dos fluidos computacional (CFD) vem sendo utilizada em vários trabalhos para o estudo de parâmetros fluidodinâmicos que podem influenciar no rendimento dos processos químicos envolvidos, como tensão de cisalhamento, perfis de velocidade, tempo de residência e a influência da geometria sobre esses parâmetros. Contudo, não existe ainda um número abrangente de trabalhos que utilize técnicas de otimização acopladas com a resolução numérica do problema fluidodinâmico. Em alguns estudos, algoritmos de otimização são utilizados para determinar os melhores coeficientes das reações químicas. No entanto, não há estudos, até o momento, que reportem a otimização multiobjetivo simultânea dos parâmetros geométricos e do escoamento aplicados a equipamentos da indústria sucro-energética. Neste contexto, o presente trabalho de pesquisa tem como objetivo contribuir para o avanço científico e tecnológico através da implementação de um software aberto (PyCFD-O) que permita o acoplamento CFD-otimização e o desenvolvimento das bases de uma metodologia de projeto otimizado bem como de operação de biorreatores e FBRs de escala industrial. O PyCFD-O foi testado em dois estudos de caso que podem ser estendidos a um fermentador contínuo e um FBR. Os parâmetros geométricos de ambos os reatores foram otimizados de forma a minimizar simultaneamente a tensão de cisalhamento e a variância da distribuição do tempo de residência. O software PyCFD-O mostrou-se robusto, revelando que o processo global de otimização realiza de fato a busca pela fronteira de Pareto. Além da obtenção das geometrias otimizadas, também foram discutidos a influência dos parâmetros geométricos na hidrodinâmica do escoamento em ambos os casos. / The growing demand for biofuels and its competition with fossil fuels create the need to optimize the existing resources and development of new technologies for production of biofuels, particularly in projects involving industrial bioreactors and photobioreactors (PBR). Computational fluid dynamics (CFD) has been used in several studies for the study of fluid dynamics parameters that can influence the performance of the chemical process involved, such as shear stress, velocity profiles, residence time and the influence of these parameters on the reactor geometry. However, there are lacks of studies that utilize optimization techniques coupled with the numerical resolution of the fluid dynamic problem. The use of optimization algorithms has been reported in some cases, but there have not been reports on studies combining the optimization of flow parameters and multiobjective algorithms to choose ideal geometric parameters applied to the equipment of the sugar-energy industry. In this context, this research project aims to contribute to the advancement of scientific and technological knowledge trhough the implementation of open source software (PyCFD-O) for the CFD-optimization coupling and the development of the bases of a methodology for optimal design and operation of industrial scale bioreactors and PBR. The PyCFD-O software was tested in two case studies with characteristics that can be extended to a continuos fermenter and PBR. The geometric parameters of both reactors were simultaneously optimized in order to minimize the shear stress and the variance of residence time distribuition. The PyCFD-O software showed robustness, revealing that overall optimization process actually performs the search of Pareto frontier. In addition to the geometry optimization, the influence of the geometrical parameters of the hydrodynamic of the flow was discussed in both case studies.

Os processos de fermentação em estado sólido (FES) existem há muitos séculos nas civilizações orientais, onde têm sido amplamente utilizados na produção de gêneros alimentícios. No ocidente, a indústria tem trabalhado preferencialmente com os processos de Fermentação Submersa (FS) porque, devido ao meio ser aquoso, existem facilidades para se controlar esse tipo de processo. No entanto, novas demandas (tais como o tratamento de resíduos sólidos) não são inteiramente contempladas pela FS. Por outro lado, os processos de FES podem ser descritos como o crescimento de microorganismos em substratos sólidos na ausência de água livre, podendo suprir essas demandas. Entretanto, também devido a essa característica, a maior dificuldade encontrada é o controle das variáveis internas do biorreator (como, por exemplo, a remoção do calor produzido pela atividade biológica). As pesquisas nesse campo mostram que essa remoção é mais fácil através das trocas pelo ar, por causa das dificuldades de condução térmica em meio sólido. Portanto, torna-se necessário o desenvolvimento de sistemas de controle da aeração que permitam a avaliação dos processos em escala de bancada, diminuindo assim o número de incertezas na modelagem e simulação do processo. Com melhores modelos do processo em escala de bancada, torna-se mais fácil o controle da temperatura no leito de um biorreator de maior escala. Esse trabalho tem por objetivo aplicar uma técnica de controle robusto que seja capaz de garantir os índices de desempenho do sistema em toda a faixa operacional do fluxo e da temperatura ar do biorreator. A planta do sistema foi modelada em nove diferentes condições de temperatura e aeração através de modelos de primeira ordem sem atraso. Esses índices são: tempo de acomodação inferior a 12000 segundo e sobressinal inferior a 10%. O controlador utilizado foi do tipo Proporcional Integrativo (PI). Esse controlador foi sintonizado utilizando a metodologia LMI (do inglês Linear Matrix Inequalities) ou Desigualdades Matriciais Lineares, através das restrições elaboradas no algoritmo iterativo V-K. Os resultados da implementação mostram que as restrições utilizadas no algoritmo são capazes de sintonizar o controlador, mesmo não se conhecendo todas as dinâmicas do sistema de aeração. / The solid-state fermentation (SSF) processes have existed for centuries in Eastern civilizations and have been widely used in the production of foodstuffs. In Western, the industry has worked preferably with the submerged fermentation (SF) processes, because it occurs in aqueous medium and it facilitates the bioreactor control. However, new demands, such as solid waste management, are not fully covered by FS. On the other hand, the processes of FES can be described as the growth of microorganisms on solid substrates in the absence of free water, which can meet this demand. But because of this characteristic, the greater difficulty is the bioreactors internal variables control and the major one the removal of the heat produced by biological activity. Researches in this field show that removal is easier through air exchange, because of the difficulties of thermal conduction in a solid medium. Therefore, it becomes necessary to develop an aeration control system that allows processes evaluation in bench scale, thereby reducing the number of uncertainties in modeling and simulation process. Thus, facilitating the temperature control of a larger-scale bioreactors bed. The aim of this work is to apply a robust control technique that guarantees the systems performance indexes throughout the air flow and temperature operational range. The plant was modeled on a first-order system without delay, at nine different conditions of temperature and aeration. These indixes are: settling time less than 12000 seconds and overshoot less than 10%. The controller used was a Proportional Integrative (PI) type. This controller was tuned using the LMI methodology (Linear Matrix Inequalities) through the V-K iterative algorithm restrictions. The implementation results show that the restrictions used in the algorithm are able to tune the controller, even not knowing all the dynamics of the aeration system.

As células estromais mesenquimais (CMMs) se tornaram de grande interesse para a terapia celular devido ao seu potencial de se diferenciar e reconstituir tecidos especializados. Mais recentemente, este interesse tem aumentado significativamente devido à descoberta de que as CMMs são capazes de secretar uma infinidade de mediadores para estimular a regeneração in situ de tecidos lesados. Dessa forma, CMMs podem ser consideradas tanto como um produto terapêutico em si, quanto uma biofábrica de diversas proteínas relevantes do ponto de vista terapêutico. Para atender a estas crescentes demandas, ambas as aplicações requerem o desenvolvimento de processos de expansão celular com alto rendimento, sob condições de cultivo definidas, reprodutíveis, escalonáveis, permitindo a obtenção de produtos com adequada identidade, potência, pureza, segurança e viáveis economicamente. Frente ao exposto, este trabalho teve como objetivos principais o estabelecimento de um processo de expansão de CMMs baseado em biorreatores e a caracterização do secretoma destas células visando aplicações terapêuticas. Para isto, a expansão de CMMs do cordão umbilical (MCUs) foi realizada em frascos multicamadas (MC) e nos biorreatores de leito fixo (LF), tanque agitado com microcarregadores (TA) e fibrasocas (FO). Os resultados mostraram que a taxa de proliferação específica das células foi maior (< tempo de duplicação) no biorreator de FO (36,8 ± 1,7 horas), bem como o fator de expansão (9,8 ± 1,0) e a eficiência na recuperação celular (100%). Um nível similar de produção celular foi observado para o TA, MC e LF com elevado fator de expansão celular (8,8 ± 0,39, 8,7 ± 0,90, 6,9 ± 1,3, respectivamente). No entanto, em termos de eficiência na recuperação celular (%), LF apresentou a menor taxa de recuperação dentre todos os sistemas (18% (± 0,77)), acompanhado pelo TA (61% (± 15,7)). As células mantiveram suas características imunofenotípicas e o potencial de diferenciação em adipócitos, osteócitos e condrócitos em todos os sistemas de cultivo avaliados. Foi também realizada a análise de custos (COG) e avaliação da viabilidade econômica para produção de CMMs visando tratamento da doença do enxerto contra o hospedeiro (DECH) em escala comercial, utilizando os sistemas de cultivo avaliados experimentalmente sob diferentes estratégias de reembolso. Apesar dos resultados experimentais satisfatórios para o biorreator FO, o COG revelou que este sistema tem o maior custo devido aos elevados custos dos consumíveis requeridos e do custo do equipamento. O frasco MC foi considerado como a tecnologia mais rentável e robusta no cenário avaliado e o biorreator TA obteve a segunda posição. O biorreator TA foi escolhido como o mais adequado analisando de maneira conjunta os dados experimentais obtidos, a análise dos custos dos diferentes sistemas de cultivo e a escalonabilidade de cada sistema. Assim, esse biorreator foi eficientemente utilizado para o cultivo de MCUs em condições isentas de SFB e xenoantígenos, sendo possível a produção de uma grande quantidade de células, representando um passo importante no desenvolvimento de um bioprocesso em conformidade com as normas das agências regulatórias. Por fim, com a análise do secretoma das CMMs por espectrometria de massas foi possível a identificação de uma gama enorme de proteínas interessantes (aprox. 2400) envolvidas em importantes processos biológicos. O futuro monitoramento dessas proteínas em biorreatores poderá representar um método inovador e original de produção de produtos livres de células para uso na terapia celular. / Mesenchymal stem/stromal cells (MSC) have become of great interest for cell therapy because of its potential to differentiate and reconstitute specialized tissues. More recently, such interest has significantly increased due to the discovery that MSC are capable of secreting a plethora of mediators to stimulate the in situ regeneration of injured tissues. Thus, MSC can be considered as a therapeutic product itself and as a biofactory of various relevant therapeutic proteins. To meet these increasing demands, both applications require the development of high-yield, reproducible, scalable and cost-effective bioprocesses under defined culture conditions, obtaining products with proper identity, purity and safety. Based on these, the main goal of this work was the establishment of a MSC expansion process based on bioreactors and secretome characterization of these cells targeting therapeutic applications. The MSC expansion was performed using multi-layered flasks (ML) and fixed bed (PB), stirred tank (STR) and hollow fiber (HF) bioreactors. The results showed that the proliferation rate of the cells was higher (< doubling time) in the HF bioreactor (36.8 ± 1.7 hours), as well as the expansion fold-increase (9.8±1.0) and harvesting efficiency (100%). A similar level of cell production was observed for STR, ML and PB with high fold-increase (8.8±0.39, 8.7±0.90, 6.9±1.3, respectively). However, in terms of harvesting efficiency (%), PB bioreactor presented the lowest retrieval rate across all the technologies (18% (±0.77)), followed by STR (61% (±15.7)). The cells retained their functional properties after culture in all the culture systems evaluated. This study was then extended through the use of a bioprocess economics tool for the evaluation of the economic feasibility of producing MSC-based treatment for acute graft vs. host disease (aGvHD) at commercial scale, using the culture systems experimentally evaluated under different reimbursement strategies. Despite the advantageous experimental results of HF bioreactors, the COG analysis has revealed that this is the least cost effective cell culture system to be used, due to its high consumable and equipment costs. ML flasks ranked first as the most cost effective and robust technology in this scenario and microcarrier-based technologies (STR) ranked in second position. The STR bioreactor was chosen as the most suitable for MSC expansion analyzing the experimental data, COG analysis and scalability of each culture system. Thus, STR bioreactor was efficiently tested for MSC expansion under serum and xeno-free conditions and it was possible to produce a large amount of cells. The development of a scalable microcarrier-based stirred culture system using xeno-free culture medium that suits the intrinsic features of UCM-derived MSC represents an important step towards a GMP compliant large-scale production platform for these promising cell therapy candidates. Finally, with the MSC secretome analysis by mass spectrometry it was possible to identify a wide range of interesting proteins (approx. 2400) involved in important biological processes. The future monitoring of these proteins in bioreactors may represent a novel and unique method of producing cell-free products for use in cellular therapy.

Orientador: Marcus César Avezum Alves de Castro / Resumo: No Brasil são geradas quantidades significativas de resíduos orgânicos provenientes das perdas no segmento de produção e processamento da cadeia de fornecimento de alimentos, ou desperdiçadas no varejo e no consumo final. Ainda, no país há carência de aplicações do processo de digestão anaeróbia no tratamento dos resíduos orgânicos alimentares, tornando pertinente seu estudo. Este trabalho analisou a influência de diferentes proporções de resíduos alimentares no processo de biometanização. Os substratos consistiram de resíduos orgânicos coletados em restaurante universitário, sendo divididos em dois grupos: Resíduos de Pré-Preparo dos alimentos (RPP) e Resíduos de Sobras das refeições (RS). Testes em batelada foram realizados para avaliar o Potencial Bioquímico de Metano (BMP) das diferentes proporções de resíduos, sob condições mesofílica e termofílica, tendo como fontes de inóculos dois lodos anaeróbios granulares provenientes de reatores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket). Para verificar a atividade dos lodos foram realizados testes de Atividade Metanogênica Específica (AME), tendo o acetato como fonte de carbono, com aplicação de diferentes relações Substrato/Inóculo (So/Xo) (0,5, 1,0 e 1,5). Os resultados dos testes de AME sob condições mesofílica e termofílica demonstraram bom desempenho dos inóculos com índices 0,1965 e 0,1559 g DQOCH4.g STV-1.d-1, respectivamente, sendo que a relação So/Xo=1,0 foi a mais indicada para aplicação na biodigestão anaeróbia dos resíduo... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In Brazil, significant amounts of organic waste are generated from losses in the production and processing segment of the food supply chain, or wasted on retail and final consumption. Still, in the country there is a lack of applications of the anaerobic digestion process in the treatment of organic food residues, making its study pertinent. This work analyzed the influence of different proportions of food residues on the biomethanization process. The substrates consisted of organic residues collected in a university restaurant, being divided into two groups: Food Pre-Preparation Residues (RPP) and Residues of Leftovers from meals (RS). Batch tests were carried out to evaluate the Biochemical Potential of Methane (BMP) of the different proportions of residues, under mesophilic and thermophilic conditions, having as inoculum sources two granular anaerobic sludge from UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) reactors. In order to verify the activity of the sludges, tests of Specific Methanogenic Activity (AME) were carried out, with acetate as carbon source, applying different Substrate/Inoculum (So/Xo) ratios (0.5, 1.0 and 1.5). The results of the AME tests under mesophilic and thermophilic temperatures showed good performance of the inoculum with indexes 0.1965 and 0.1559 g DQOCH4.g STV-1.d-1, respectively, with the ratio So/Xo=1.0 was the most indicated for application in anaerobic biodigestion of food waste. BMP tests under different proportions of food residues demonstrated ... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Submitted by Maria Beatriz Vieira (mbeatriz.vieira@gmail.com) on 2017-06-21T15:10:36Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) dissertacao_camila_fernanda_junkes.pdf: 1289430 bytes, checksum: c3ed40aa6f1d8b5187b0894e8ea77b9b (MD5) / Approved for entry into archive by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2017-06-21T18:58:38Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) dissertacao_camila_fernanda_junkes.pdf: 1289430 bytes, checksum: c3ed40aa6f1d8b5187b0894e8ea77b9b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-21T18:58:38Z (GMT). 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No entanto, cada genótipo de macieira responde de forma diferente aos estímulos in vitro, de forma que deve-se adequar os protocolos em função da cultivar em estudo. Neste sentido, o presente trabalho teve como objetivo traçar os primeiros estudos sobre a utilização de sistema de imersão temporária (SIT) na micropropagação de ‘Marubakaido’. Para tal, testes preliminares sobre a influência do tipo de explante (apical ou axilar) foram realizados via sistema convencional em três variações do meio MS (composição convencional; NH4NO3 e KNO3 reduzido a ¾; e formulação industrial Himedia) suplementados com 0,8 mg.L-1 de BAP, 100 mg.L-1 de mio-inositol, 30 g.L-1 de sacarose e 7 g.L-1 de ágar. Após 45 dias observou-se que o meio Himedia conferiu maior homogeneidade entre as brotações, enquanto o tipo de explante não afetou a resposta quanto ao número e comprimento médio das brotações obtidas, podendo ambos serem utilizados sem prejuízo às taxas de multiplicação. Em seguida, os mesmos meios foram empregados na comparação entre micropropagação de explantes axilares de ‘Marubakaido’ em sistema convencional e SIT. Após 4 semanas verificou-se que as taxas de hiperidricidade obtidas em SIT foram muito mais elevadas do que em sistema convencional, chegando a 100% para meio MS. Uma intensa formação de calos foi observada nos meios MS e MS ¾ neste mesmo sistema, que impediram o desenvolvimento dos explantes. Quanto ao número médio e comprimento de brotações, o meio Himedia em SIT apresentou melhores resultados quando comparado a todos os tratamentos para meio e sistema (6,3 brotações por explante e 3,7 cm). O enraizamento das brotações produzidas em SIT com meio Himedia foi maior quando as brotações foram destacadas se comparadas com brotações mantidas em tufos (74,1% e 62,5% respectivamente), e a aclimatização das microestacas enraizadas resultou em 88,5% de sobrevivência após 21 dias. Embora os resultados tenham sido promissores, novos estudos ainda precisam ser realizados na tentativa de aperfeiçoar estes protocolos para ‘Marubakaido’, como alterações na composição hormonal, tempo e frequência de passagem do meio para os explantes ou enraizamento ao abrigo de luz. / The apple tree is a woody fruit widespread in the world. Your plants are propagated by cuttings and rootstocks by layering strain due to the high level of incompatibility between the genotypes and great period of juvenility. Rootstocks confer differences in vigor and disease resistance to scion, being more used in Brazil the cultivars M.9 (dwarf) and 'Marubakaido' (vigorous). Due to phytosanitary problems and yield of vegetative propagation technique, micropropagation appears as a useful technology at level of research or commercially. However, each apple genotype responds differently to in vitro stimuli, so the protocols must be adapted according to cultivar in study. Herewith, the present research aimed to draw the first studies about the use of temporary immersion system (TIS) in ‘Marubakaido's micropropagation. For this purpose, preliminary tests about the influence of the type of explant (apical or axillary) were performed via conventional system in three variations of the MS media (conventional composition; NH4NO3 and KNO3 reduced to ¾, and industrial formulation Himedia) supplemented with 0.8 mg.L-1 BAP, 100 mg L-1 myo-inositol, 30 g L-1 sucrose and 7 g L-1 agar. After 45 days it was observed that the Himedia conferred greater homogeneity among the shoots, while the type of explant did not affect the response in the average of number and length of shoots obtained, and both can be used without prejudice to the multiplication rates. Then, the same media were used in the comparison of micropropagation of ‘Marubakaido’ axillary explants between conventional system and TIS. After 4 weeks it was found that the hyperhydricity rates obtained with TIS were much higher than in conventional system, reaching 100% at MS medium. An intense callus formation was observed in MS and MS ¾ media at same system, which stopped the development of the explants. For the mean of number and length shoots, the Himedia composition in TIS showed better results when compared to all treatments for media and system (6.3 shoots per explant and 3.7 cm). Rooting of shoots produced in TIS with Himedia was higher when the shoots were separated compared with shoots kept in tufts (74.1% and 62.5% respectively), and acclimatization of the rooted microcutting resulted in 88.5% of survival after 21 days. Although the results have been promising, further studies still need to be performed to improve these protocols to ‘Marubakaido’, as changes in hormonal composition, time and frequency for passage of media to the explants or rooting under darkness.