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.

Orientador: João Claudio Thoméo / Banca: Roger Darros Barbosa / Banca: Ranulfo Monte Alegre / Resumo: Este trabalho teve como objetivo produzir enzimas celulolíticas por fermentação em estado sólido (FES), em um bioreator de leito fixo, empregando-se o fungo termofílico Myceliophthora sp. e utilizando-se como substratos bagaço de cana-de-açúcar e farelo de trigo. Os testes foram realizados inicialmente em sacos de polipropileno apresentando uma boa produção de CMCase (550U/g) no período de 96 horas de fermentação. As variáveis controladas foram a temperatura de fermentação (40, 45 e 50ºC), umidade inicial (75, 80 e 85% b.u.) e proporção do substrato de bagaço de cana e farelo de trigo (1:1, 3:7 e 1:9 peso). Os estimadores estatísticos não indicaram diferença significativa da produção de celulase com as variações da proporção de bagaço de cana e de farelo de trigo, com a temperatura e com a umidade inicial do substrato, contudo, os melhores resultados foram obtidos para a proporção de 70% de bagaço de cana e 30% de farelo de trigo, temperatura de 50oC e umidade inicial do substrato de 80%. Nos testes em escala de bioreator, foi empregado um leito fixo de 7cm de diâmetro e 50cm de comprimento, encamisado, operado nas condições experimentais de melhor resultados obtidos na escala de sacos, sendo a temperatura da camisa e vazão de ar as variáveis de interesse. O fungo apresentou um bom desenvolvimento no reator, tendo uma produtividade enzimática semelhante à encontrada em escala de saco. Foi observado um gradiente de umidade no interior do leito, sendo este crescente do fundo para o topo do bioreator, comportamento inverso ao da atividade enzimática. As vazões variaram entre 80 e 120 L/h e não afetaram estatisticamente a fermentação, possuindo pouca influência sobre as distribuições longitudinais de umidade e de atividade enzimática. Já os ensaios para as temperaturas de 45 e 50oC mostraram-se distintos, sendo a maior produção de enzimas após 96h... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work aimed to produce celullolytic enzymes through solid state fermentation in a fixed bed bioreactor, using the fungus Myceliophtora sp. and wheat bran and sugar cane bagasse as substrate. Initial tests were performed in polypropylene plastic bags, and satisfactory production of CMCase (550U/g.d.s.) was observed at 96h of fermentation. The controlled variables were the temperature (40, 45, and 50o C), the initial moisture content (75, 80, and 85%, w.b.), and wheat bran to sugar cane bagasse proportion (1:1, 3:7, and 1:9, weight). The experimental results did not differ statistically for any experimental condition adopted, even though the best results were obtained using the proportion 3:7 wheat bran/sugar cane bagasse 3:7, 50o C temperature, and 80% initial moisture content. A jacketed fixed bed bioreactor 7.62cm ID and 50cm long was used for scaling-up, and temperature, solid initial moisture content, and air flow rate were used as variables. The fungus adapted well to the bioreactor and to the experimental conditions, and the production of enzymes was similar to the tests performed in the plastic bags. It was observed a longitudinal gradient of moisture, increasing from the bottom to the top of the reactor, opposite effect observed for the enzyme production. The air flow rate was varied from 80 to 120L/h and did not affect neither the moisture nor the enzyme distributions. However, the experiments carried out at 45 and 50o C were statistically distinct, and the enzyme production at 50o C at 96h was larger than at 45o C. At 144h of fermentation, the results at 45o C were similar to those observed at 50o C and 96h. It was observed temperature peaks, the higher one at 18h of fermentation, which was 6o C above the temperature fixed through the jacket and the air at the entrance, for 45o C temperature and 80L/h air flow rate / Mestre

O ácido y-poliglutâmico (y-PGA) é um biopolímero solúvel em água, aniônico, atóxico, biodegradável e biocompatível, produzido por Bacillus e que possui aplicações nas áreas química, médica, ambiental e de alimentos. Este trabalho tem como objetivo estudar o processo de produção do y-PGA a partir do cultivo de uma nova linhagem de Bacillus isolada de ambiente amazônico, o Bacillus subtilis BL53. Este estudo inclui a seleção de culturas, a otimização de condições de cultivo e a prospecção de substratos de produção alternativos. A habilidade de produção de y-PGA por linhagens de Bacillus isoladas na região amazônica foi investigada. A linhagem BL53 foi a linhagem selecionada, sendo identificada como Bacillus subtilis, através da análise da seqüência do gene 16S DNAr e de suas características bioquímicas. A avaliação das condições de cultivo submerso foi conduzida em agitador orbital mediante delineamento composto central rotacional (DCCR) que apontou como ponto ótimo de produção de y-PGA, a temperatura de 37 oC, o pH inicial de 6,9 e a concentração de 1,22 mM de Zn2+ suplementada ao Caldo E. Nas condições otimizadas, a produção de y-PGA foi igual a 10,4 g/L, cerca de três vezes maior que a obtida em condições convencionais de cultivo em Caldo E, utilizando a mesma linhagem. A influência da disponibilidade de oxigênio sobre a produção de y-PGA por B. subtilis BL53 foi avaliada em biorreator agitado de 5 L, com o emprego das velocidades de agitação de 500, 750 e 1000 rpm, sendo mantida fixa a taxa de aeração de 2 vvm. A produção de y-PGA mostrou-se altamente dependente da transferência de oxigênio, sendo que o teor de oxigênio dissolvido decaiu rapidamente nas primeiras 15 horas de cultivo, como resultado da elevada demanda de oxigênio pelas bactérias. O aumento na velocidade de agitação no biorreator possibilitou uma maior transferência de oxigênio e induziu o aumento na taxa de consumo de oxigênio pelas bactérias, conduzindo a maior produção e maior produtividade de y-PGA. A intensificação da agitação também influenciou os parâmetros cinéticos de crescimento do Bacillus subtilis BL53, provocando um aumento na velocidade específica de crescimento na fase logarítmica (max) sem provocar a perda da viabilidade celular. Com a utilização da velocidade de agitação de 1000 rpm em biorreator, o tempo de cultivo pode ser reduzido para menos de 48 h, cerca de 50% do tempo necessário para operação a 500 rpm. A investigação de substratos alternativos para produção de y-PGA mostrou o glicerol residual de biodiesel e o resíduo fibroso de soja como substratos promissores, apontando para a possibilidade de investigação em trabalhos futuros. / The poly-gamma-glutamic acid (y-PGA) is a water-soluble biopolymer, anionic, non toxic, biodegradable and biocompatible, it is produced by Bacillus and it has applications in chemical, medical, environmental and food industries. This work aims to study the process of production of y-PGA through cultivation of a new strain of Bacillus isolated from the Amazonian environment, Bacillus subtilis BL53. This study includes the screening of strains, the optimization of culture conditions and the investigation of alternative substrates. The ability of y-PGA production by Bacillus strains isolated from Amazonian environment was investigated. The BL53 strain was selected and identified as Bacillus subtilis, through analysis of 16S rDNA gene sequence and its biochemical characteristics. Evaluation of culture conditions in submerged cultivation was conducted in shaker using central composite design (CCD), which showed the temperature of 37 oC, the initial pH 6.9 and concentration of 1.22 mM Zn2+ in Medium E as the optimal conditions to y-PGA production. Under optimized conditions, the production of y-PGA was 10.4 g/L, about threefold what was obtained using this strain under conventional cultivation in Medium E. The influence of oxygen availability on the production of y-PGA by B. subitlis BL53 was evaluated in a 5 l stirred bioreactor with the use of stirring rates of 500, 750 and 1000 rpm, using a fixed aeration rate of 2 vvm. Production of y-PGA was highly dependent on oxygen transfer, and the dissolved oxygen content decreased rapidly in the first 15 hours of culture as a result of high oxygen demand by bacteria. The increase in stirring rate in the bioreactor allowed a better oxygen transfer and induced a rise in the oxygen uptake rate by bacteria, leading to higher production and higher productivity of y-PGA. The intensification of the stirring also influenced the kinetics growth parameters of Bacillus subtilis BL53, producing an increase in specific growth rate in the logarithmic phase (max) without causing reduction of cell viability. Using the stirring rate of 1000 rpm in a bioreactor, the cultivation time can be reduced to less than 48 h, about 50% of the time required for operation at 500 rpm. The investigation of alternative substrates for the production of y-PGA showed crude glycerol from biodiesel and soybean industrial fibrous residue as promising ones, pointing to research possibilities in future work.

Probióticos são suplementos alimentares de microrganismos vivos com efeitos benéficos no hospedeiro animal pela melhora do balanço intestinal. Dentre os microrganismos considerados probióticos, somente aqueles microrganismos classificados como bactérias ácido lácticas (LAB) são considerados importantes em relação à alimentação. Cultivos de altas densidades de células são cada vez mais importantes do ponto de vista industrial para a obtenção de LABs, pois produtos adicionados com esses suplementos apresentam alto valor agregado. Este trabalho tem por objetivo a produção de Lactobacillus plantarum em cultivo submerso em biorreator, avaliação da sua resistência na forma livre e imobilizada frente às condições de armazenamento sob refrigeração e trânsito gastrointestinal e elaboração de produto fermentado com adição de probióticos. Inicialmente foram realizados experimentos para selecionar Lactobacillus que apresentassem alta produtividade de biomassa. Em seguida foram realizados experimentos para avaliar a utilização de soro de queijo como ingrediente base da formulação do meio de cultivo e sua suplementação com diferentes fontes de nitrogênio. Com o microrganismo selecionado, L. plantarum, realizou-se a seleção de variáveis através do delineamento experimental Plackett Burman (P-B). A otimização das condições de cultivo foi realizada utilizando um delineamento composto central rotacional (DCCR). Paralelamente, foram testadas a sobrevivência de L. plantarum em armazenamento sob refrigeração e à exposição a meios que simulem a passagem pelo aparelho digestivo. Estas avaliações foram realizadas comparativamente entre os microrganismos na forma livre e na forma microencapsulada utilizando como polímeros alginato de sódio e pectina e recobrimentos com alginato de sódio e quitosana. Os resultados mostraram que a temperatura, pH, taxa de aeração, concentração de lactose e peptona foram os parâmetros que mais influenciaram a produção de biomassa. O DCCR para temperatura e taxa de aeração mostraram que o máximo de produção de biomassa predita foi de 14,30 g L-1 de L. plantarum, nas condições otimizadas. No ponto central do DCCR, atingiu-se a produção de biomassa de L. plantarum de 10,2 g L-1, como taxa de conversão de 0,10 g de células g-1 de lactose e 1,08 g de ácido láctico g-1 lactose (m/m) com as seguintes condições de cultivos: 140 g L-1 de lactose; 15 g L-1 peptona; 5 g L-1 extrato de levedura; pH 5,2; velocidade de agitação de 200 rpm; 34 ºC e 3,5 vvm. O meio intestinal simulado não interferiu na viabilidade dos microrganismos em relação ao meio controle. Já o meio gástrico simulado diminui drasticamente a viabilidade dos microrganismos nas condições testadas não havendo diferença significativa entre os diferentes materiais imobilizantes utilizados e o controle sem imobilização. No armazenamento sob refrigeração houve aumento da viabilidade em relação às células não imobilizadas, sendo que os tratamentos em que houve menor perda de viabilidade foram imobilização em 4 % de pectina, 3 % de alginato de sódio recoberto com quitosana e mistura de 2 % de alginato de sódio e 2 % de pectina. Quando testada a viabilidade em iogurte de L. plantarum imobilizados em 3 % de alginato recoberto com quitosana houve perda de viabilidade de 0,55 ciclo logarítmico durante 38 dias de armazenamento. A cepa de L. plantarum estudada se mostra como um microrganismos potencial para utilização como probiótico em alimentos, uma vez que demonstrou alta produtividade de células e boa viabilidade frente às condições de estresse utilizadas. / Probiotics are live microorganisms feed supplement, which beneficially affects the host animal by improving its intestinal microbial balance. Among the microorganisms considered probiotics, only those strains classified as latic acid bacteria - LAB are considered of importance regarding to the nutritional effects. High cell density cultivations of LABs are important from the industrial viewpoint, because products added with this supplement are of high value. The aims of this work were to investigate the biomass production of Lactobacillus plantarum in submerged bioreactor cultures, evaluate the resistance of free and immobilized L. plantarum when submitted to refrigerated storage, the viability in simulated gastrointestinal juices and in yoghurt. Initially, experiments were performed to select Lactobacillus that showed high productivity of biomass. Further experiments were performed to evaluate the use of cheese whey as a basic ingredient in the formulation of the medium and its supplementation with different nitrogen sources. The selected microorganism, L. plantarum, was used for the selection of variables of the Plackett Burman (PB) design. The optimization of culture conditions was performed using a central composite rotational (CCD) design. In parallel, it was tested the survival of L. plantarum in refrigerated storage and exposure to media that simulated the passage through the digestive tract. These evaluations were performed comparatively between microorganisms in the free and microencapsulated form using as polymers sodium alginate and pectin, coated with sodium alginate or chitosan. Results have shown that temperature, pH, aeration rate, lactose, and peptone were the most influential over biomass formation. The CCD for temperature and aeration rate showed that the model predicted maximal biomass production of 14.30 g L-1 (dw) of L. plantarum under the optimized conditions. At central point of CCD, it was obtained a biomass production of 10.2 g L-1 (dw), with conversion rates of 0.10 g of cell g-1 lactose and 1.08 g lactic acid g-1 lactose (w/w), with the following conditions: 140 g L-1 of lactose; 15 g L-1 peptone; 5 g L-1 of yeast extract; pH 5.2; stirred agitation of 200 rpm; 34 ºC and 3.5 vvm. The simulated intestinal medium did not affect the viability of microorganisms in relation to the control medium. However, the simulated gastric medium drastically reduces the viability of microorganisms in the conditions tested with no significant difference between the different materials used and the control without immobilization. In refrigerated storage there was an increase in the viability compared to free microorganisms, and the treatments with lower loss of viability were those of 4% pectin, 3% sodium alginate coated with chitosan and a mixture of 2% alginate sodium and 2% pectin. When tested the viability in yogurt of L. plantarum immobilized in 3% alginate coated with chitosan, the viability loss was 0.55 log cycle during 38 days of storage. The strain of L. plantarum studied was shown as a potential organism for use as probiotics in food, since it has shown high yield and good cell viability in the face of stress conditions used.

O processo de Biorreatores com Membranas (BRM) foi desenvolvido no final da década de 1960, consistindo em um sistema que associa o tratamento biológico de efluentes com o mecanismo de separação por membranas, e apresenta vantagens com relação ao tratamento convencional, tais como maior eficiência de tratamento e um menor espaço físico de instalação para a mesma capacidade de tratamento. O fenômeno de incrustação das membranas (em inglês, fouling) representa a principal limitação desse processo, de modo que uma das condições operacionais mais importantes na prevenção da incrustação em um sistema BRM Submerso (BRMS) é a vazão de aeração. Diante desta situação, o objetivo do trabalho consiste em avaliar os efeitos das condições hidrodinâmicas no desempenho do processo, tais como vazão de aeração, densidade de empacotamento do módulo de membranas e geometria dos aeradores. O sistema utilizado no trabalho consistiu em um BRMS automatizado, operando em pressão constante e de forma contínua, durante um período de 4 dias. Os módulos foram construídos com membranas poliméricas de microfiltração do tipo fibra oca, cujo material foi a poli(éter)-imida (PEI). Três diferentes vazões de aeração foram estudadas (2, 5 e 8 L.min-1), mostrando, a partir dos resultados, que existe uma vazão de aeração limite benéfica ao sistema e que, acima deste valor, um melhor desempenho não pode ser atingido, inclusive, podendo prejudicá-lo. Para o sistema de estudo, a vazão de 5 L.min-1 apresentou o melhor desempenho, seguido de 8 e 2 L.min-1. O estudo da densidade de empacotamento do módulo mostrou que esta é uma variável que também exerce influência no desempenho do processo de BRMS. Módulos com dois diferentes diâmetros foram testados (2,54 cm e 1,91 cm); o melhor resultado foi observado no módulo de maior diâmetro. A menor densidade de empacotamento resulta em um maior espaçamento entre as fibras, provocando uma aeração mais homogênea no interior do feixe de membranas. As duas geometrias de aeração testadas (Modo 1 e Modo 2) apresentaram resultados semelhantes de fluxo permeado, indicando que o Modo 2 de aeração não melhorou o desempenho do processo como se esperava. A maior homogeneidade de aeração no interior de feixe, a partir de aeradores construídos com as próprias fibras, não foi atingida, mostrando que um novo projeto de aeradores deve ser estudado. Em todas as condições hidrodinâmicas testadas, a eficiência do tratamento foi verificada, uma vez que a remoção de matéria orgânica para COT e DQO foi de 96% e 93%, respectivamente. Propriedades do permeado, como condutividade elétrica, pH e turbidez foram mensuradas, apresentando variações menores que as medidas do efluente, revelando a capacidade que o sistema apresenta em suportar as variações na corrente de alimentação. / The Membrane Bioreactor (MBR) process was developed in the late 1960. The system consists in a combination of biological process and membrane separation mechanism, and the advantages with respect of conventional treatment are the higher treatment efficiency and a smaller area of installation for the same treatment capacity. The main limitation of this process is the membrane fouling, in a way that air flow rate represents an important operating condition to prevent the fouling formation in Submerged Membrane Bioreactors (SMBR). In this sense, the aim of this work is to evaluate the effects of hydrodynamic conditions on process performance, such as air flow rate, packing density of the membrane module and aeration geometry. The system used consists in a pilot-scale SMBR, which operates at constant pressure and continuous mode during a period of 4 days. The modules were built with hollow fiber polymeric microfiltration membrane and the material is poly(ether)imide (PEI). For the three different air flow rates studied (2, 5 and 8 L.min-1), results showed there is a limit value for this parameter, in which above this value a better performance will not be obtained, even can be worse. The air flow rate of 5 L.min-1 presented the best performance, followed by 8 and 2 L.min-1. The module packing density study for two diameters (0.75 and 1 inch), the best result was observed in the larger diameter module, because lower packing density causes more space between fibres, increasing the aeration homogeneity inside de fibre bundle. Both aeration geometry tested showed similar permeate flows, indicating the different geometry used did not affect the performance process. The aerators constructed with the hollow fibers did not promote aeration homogeneity inside the bundle, and new aeration geometry must be projected. For all hydrodynamics conditions, the system treatment was efficient in removing organical matter, since the removal for TOC and COD was 96% and 93%, respectively. Permeate properties such as electrical conductivity, pH and turbidity measurements presented minor variations than effluent properties measurements, showing the system capacity to withstand with feed stream variations.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6615.pdf: 4694610 bytes, checksum: 288df2441cd04d5e5e4c36da49c66cb9 (MD5) Previous issue date: 2015-03-05 / Financiadora de Estudos e Projetos / Mesenchymal stromal cells (MSCs) are required by the scientific community in the development and enhancement of therapeutic techniques in different fields of medicine. The MSCs are present in small concentrations in tissues, which makes necessary the expansion in vitro for enable studies and therapeutic applicability. These are cells with high sensitivity to environmental conditions of cultivation. So, for increase productivity in vitro is used the technology of bioreactors in the development of processes in order to produce high cell densities in less time, with reduce use of resources and maintaining a safe operation. The new concepts of "disposable bioreactors", as the wave-induced motion bioreactor or Wave bioreactor, with possibility operating in a closed system, controlled and automated, reduced investment cost and operation, less risk of contamination, higher level biosecurity, added to the fact of being a underexplored technology and already approved by the FDA (Food and Drugs Administration) becomes a highly attractive alternative bioprocessing for cultivation of animal cells in large scale. In this context, the present work aims to develop a protocol for cultivation of MSCs in the Wave Bioreactor System 2/10. Experiments were performed to characterize the CEMs's culture behavior in the Wave bioreactor to obtain high cell productivity while maintaining the therapeutic potential of the CEMs. The experiments were carried out with 2 L Cellbag and Cultispher-S microcarrier with 300 ml of α-MEM medium culture supplemented with glucose, glutamine, and arginine and 15% v/v fetal bovine serum at 37 ° C and pH between 6,9-7,4. In the preliminary experiments it was verified that most of the inoculated cells did not adhere to the microcarriers. It was shown that such behavior is due to low relation between adhesion area (AMC = total projected area of the microcarriers) and wet surface area of Cellbag (ASMCellbag), which in the normal condition of operation results an adhesion between 25,7 and 61,7% of the inoculated cells. To solve the problem were performed experiments reducing ACellbag which enabled improvements in cell adhesion by up to 100%. It was also found low performance of the cell expansion phase, presumably linked to operational problems like: microcarriers segregation in certain regions of the bioreactor causing depletion of nutrients, formation of aggregates of MCs colonized with cells and adhesion of MCs to Cellbag. In addition, it was observed that reducing CEM/MC ratio at the start of the culture, the cell expansion factor could be increased to values equal to or greater than 10. These results show that the Wave bioreactor has good potential for expansion of MSCs and that the same can be improved. / As células estromais mesenquimais (CEMs) estão sendo visadas pela comunidade científica no desenvolvimento e aprimoramento de técnicas terapêuticas em diferentes ramos da medicina. As CEMs estão presentes em pequenas concentrações nos tecidos, o que torna necessário a sua expansão in vitro para viabilizar pesquisas e a aplicabilidade terapêutica. Tratam-se de células com elevada sensibilidade em relação às condições do ambiente de cult ivo. Assim, para o aumento da produtividade in vitro utiliza-se a tecnologia de biorreatores no desenvolvimento de processos com objetivo de produzir altas densidades celulares em curto tempo, de forma econômica e respeitando as normas impostas pelos órgãos reguladores. O novo conceito de biorreator descartável, como o do biorreator com movimento induzido em forma de ondas, ou biorreator Wave, apresenta possibilidade de operação em sistema fechado segundo as boas práticas de fabricação (BPF), controlado e automatizado. O custo de investimento e operação reduzido, com menor risco de contaminação, maior nível de biossegurança, somado ao fato de utilizar uma tecnologia pouco explorada e já aprovada pelo FDA (Food and Drugs Administration) se transforma numa alternativa de bioprocessamento altamente atrativa para cultivo de células animais em larga escala. Nesse contexto, o presente trabalho tem por meta avaliar o desempenho do biorreator Wave 2/10 na expansão das CEMs. Para tal, foram realizados experimentos visando caracterizar o comportamento do cultivo nesse biorreator a fim de obter alta produtividade celular mantendo a potencialidade terapêutica das CEMs. Os experimentos foram realizados com saco plástico (doravante Cellbag) de 2 L e microcarregador (MC) Cultispher-S com 300 mL me io de cultivo α-MEM suplementado com glicose, glutamina e arginina e 15% v/v de soro fetal bovino a 37°C e pH entre 6,9-7,4. Nos experimentos preliminares constatou-se que grande parte das células inoculadas não aderiam aos microcarregadores. Comprovou-se que tal comportamento se devia à baixa relação entre área de adesão (AMC = área total projetada dos microcarregadores) e área de superfície molhada da Cellbag (ASMCellbag) que na condição normal de operação resultava numa adesão entre 25,7 e 61,7% das células inoculadas. Para melhorar a adesão foram realizados experimentos reduzindo a ASMCellbag, o que possibilitou melhoria na adesão celular em até 100%. Na etapa de expansão celular verificou-se baixo desempenho, presumivelmente vinculado a problemas de operação como: segregação de microcarregadores em determinadas regiões do biorreator provocando o esgotamento de nutrientes, formação de agregados de MCs colonizados com células e adesão dos MCs à Cellbag. Em adição, notou-se que diminuindo a relação CEM/MC no início do cultivo a expansão celular podia ser aumentada para valores iguais ou maiores que 10. Ao todo, os resultados mostraram que o biorreator Wave possui bom potencial para a expansão de CEMs e que o mesmo ainda pode ser melhorado.

Made available in DSpace on 2015-03-03T11:52:36Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-09-06Bitstream added on 2015-03-03T12:06:23Z : No. of bitstreams: 1 000807962.pdf: 904239 bytes, checksum: 57c69c216cd1bad8465976c2fad345c9 (MD5) / A aplicação de reatores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) passou a ocupar uma posição de destaque, principalmente no Brasil, face às condições ambientais de temperatura favoráveis, baixo custo, simplicidade operacional e baixa produção de sólidos. Com o intuito de aprimorá-lo, este estudo aliou as características construtivas e operacionais destes reatores com as dos Reatores Anaeróbios Compartimentados (RAC), caracterizados por oferecerem a possibilidade de separação das fases que ocorrem na digestão anaeróbia e o aumento do tempo de contato entre a biomassa e o efluente. Assim, foi projetado e construído um reator vertical, contendo dois tubos concêntricos em seu interior, visando à separação das etapas acidogênica e metanogênica, a partir da cinética de crescimento dos microrganismos presentes. A pesquisa teve como objetivo principal estudar o comportamento e avaliar o desempenho do reator UASB compartimentado sob nova configuração, no período de partida e operação, tratando esgoto doméstico. O monitoramento do sistema foi dividido em duas etapas: partida e operação. Durante a partida, os valores de pH e alcalinidade mantiveram-se estáveis dentro de uma faixa adequada. Os resultados apresentados durante seu monitoramente indicaram ainda, que o inóculo utilizado promoveu condições adequadas para a partida do reator, com remoção média de DQO de 53,8%, chegando a atingir 82,8% ao final desta etapa. Na segunda etapa de monitoramento, ocorreram diversos problemas relacionados à operação do sistema, ocasionando sua paralisação durante alguns dias. Os valores de pH encontraram-se dentro da faixa adequada, contudo, a alcalinidade sofreu variações quando houve interrupção no sistema. A remoção de matéria orgânica apresentou-se estável, mesmo após tais interrupções, com eficiência média de remoção de 80% para a DQO e 78% para a DBO. Além disso, ambas chegaram a alcançar 90% na ... / Application of UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) reactor has come to occupy a prominent position, especially in Brazil, due to favorable climatic conditions, low cost, operational simplicity and low production solids. In order to improve it, this study combined constructional and operational features of these reactors with the Compartmented Anaerobic Reactor (CAR), characterized by offering the possibility of phase separation occurring in the anaerobic digestion and increase the contact time between the biomass and effluent. Thus a vertical reactor was designed and constructed containing two concentric tubes inside, in order to separate the acidogenic and methanogenic steps from the kinetics of growth of microrganisms present. The research aimed to study the behavior and evaluate the performance of the UASB compartmentalized reactor under new configuration during starting and operation, treating domestic wastewater. The monitoring system was divided into two stages: starting and operating. During the start-up, the values of pH and alkalinity remained stable within a proper range. The results presented during its monitoring also indicated that the inoculum used promoted conditions for starting the reactor, with average COD removal of 53,8%, reaching 82,8% at the end of this step. In the second stage of monitoring, there were several problems related to system operation, causing a stoppage for a few days. The pH values were within the appropriate range, however, the alkalinity variations experienced when there was an interruption in the system. The removal of organic matter remained stable even after such interruption, with average removal efficiency of 80% to 78% for COD and BOD. Moreover, both even reached 90% removal efficiency

Probióticos são suplementos alimentares de microrganismos vivos com efeitos benéficos no hospedeiro animal pela melhora do balanço intestinal. Dentre os microrganismos considerados probióticos, somente aqueles microrganismos classificados como bactérias ácido lácticas (LAB) são considerados importantes em relação à alimentação. Cultivos de altas densidades de células são cada vez mais importantes do ponto de vista industrial para a obtenção de LABs, pois produtos adicionados com esses suplementos apresentam alto valor agregado. Este trabalho tem por objetivo a produção de Lactobacillus plantarum em cultivo submerso em biorreator, avaliação da sua resistência na forma livre e imobilizada frente às condições de armazenamento sob refrigeração e trânsito gastrointestinal e elaboração de produto fermentado com adição de probióticos. Inicialmente foram realizados experimentos para selecionar Lactobacillus que apresentassem alta produtividade de biomassa. Em seguida foram realizados experimentos para avaliar a utilização de soro de queijo como ingrediente base da formulação do meio de cultivo e sua suplementação com diferentes fontes de nitrogênio. Com o microrganismo selecionado, L. plantarum, realizou-se a seleção de variáveis através do delineamento experimental Plackett Burman (P-B). A otimização das condições de cultivo foi realizada utilizando um delineamento composto central rotacional (DCCR). Paralelamente, foram testadas a sobrevivência de L. plantarum em armazenamento sob refrigeração e à exposição a meios que simulem a passagem pelo aparelho digestivo. Estas avaliações foram realizadas comparativamente entre os microrganismos na forma livre e na forma microencapsulada utilizando como polímeros alginato de sódio e pectina e recobrimentos com alginato de sódio e quitosana. Os resultados mostraram que a temperatura, pH, taxa de aeração, concentração de lactose e peptona foram os parâmetros que mais influenciaram a produção de biomassa. O DCCR para temperatura e taxa de aeração mostraram que o máximo de produção de biomassa predita foi de 14,30 g L-1 de L. plantarum, nas condições otimizadas. No ponto central do DCCR, atingiu-se a produção de biomassa de L. plantarum de 10,2 g L-1, como taxa de conversão de 0,10 g de células g-1 de lactose e 1,08 g de ácido láctico g-1 lactose (m/m) com as seguintes condições de cultivos: 140 g L-1 de lactose; 15 g L-1 peptona; 5 g L-1 extrato de levedura; pH 5,2; velocidade de agitação de 200 rpm; 34 ºC e 3,5 vvm. O meio intestinal simulado não interferiu na viabilidade dos microrganismos em relação ao meio controle. Já o meio gástrico simulado diminui drasticamente a viabilidade dos microrganismos nas condições testadas não havendo diferença significativa entre os diferentes materiais imobilizantes utilizados e o controle sem imobilização. No armazenamento sob refrigeração houve aumento da viabilidade em relação às células não imobilizadas, sendo que os tratamentos em que houve menor perda de viabilidade foram imobilização em 4 % de pectina, 3 % de alginato de sódio recoberto com quitosana e mistura de 2 % de alginato de sódio e 2 % de pectina. Quando testada a viabilidade em iogurte de L. plantarum imobilizados em 3 % de alginato recoberto com quitosana houve perda de viabilidade de 0,55 ciclo logarítmico durante 38 dias de armazenamento. A cepa de L. plantarum estudada se mostra como um microrganismos potencial para utilização como probiótico em alimentos, uma vez que demonstrou alta produtividade de células e boa viabilidade frente às condições de estresse utilizadas. / Probiotics are live microorganisms feed supplement, which beneficially affects the host animal by improving its intestinal microbial balance. Among the microorganisms considered probiotics, only those strains classified as latic acid bacteria - LAB are considered of importance regarding to the nutritional effects. High cell density cultivations of LABs are important from the industrial viewpoint, because products added with this supplement are of high value. The aims of this work were to investigate the biomass production of Lactobacillus plantarum in submerged bioreactor cultures, evaluate the resistance of free and immobilized L. plantarum when submitted to refrigerated storage, the viability in simulated gastrointestinal juices and in yoghurt. Initially, experiments were performed to select Lactobacillus that showed high productivity of biomass. Further experiments were performed to evaluate the use of cheese whey as a basic ingredient in the formulation of the medium and its supplementation with different nitrogen sources. The selected microorganism, L. plantarum, was used for the selection of variables of the Plackett Burman (PB) design. The optimization of culture conditions was performed using a central composite rotational (CCD) design. In parallel, it was tested the survival of L. plantarum in refrigerated storage and exposure to media that simulated the passage through the digestive tract. These evaluations were performed comparatively between microorganisms in the free and microencapsulated form using as polymers sodium alginate and pectin, coated with sodium alginate or chitosan. Results have shown that temperature, pH, aeration rate, lactose, and peptone were the most influential over biomass formation. The CCD for temperature and aeration rate showed that the model predicted maximal biomass production of 14.30 g L-1 (dw) of L. plantarum under the optimized conditions. At central point of CCD, it was obtained a biomass production of 10.2 g L-1 (dw), with conversion rates of 0.10 g of cell g-1 lactose and 1.08 g lactic acid g-1 lactose (w/w), with the following conditions: 140 g L-1 of lactose; 15 g L-1 peptone; 5 g L-1 of yeast extract; pH 5.2; stirred agitation of 200 rpm; 34 ºC and 3.5 vvm. The simulated intestinal medium did not affect the viability of microorganisms in relation to the control medium. However, the simulated gastric medium drastically reduces the viability of microorganisms in the conditions tested with no significant difference between the different materials used and the control without immobilization. In refrigerated storage there was an increase in the viability compared to free microorganisms, and the treatments with lower loss of viability were those of 4% pectin, 3% sodium alginate coated with chitosan and a mixture of 2% alginate sodium and 2% pectin. When tested the viability in yogurt of L. plantarum immobilized in 3% alginate coated with chitosan, the viability loss was 0.55 log cycle during 38 days of storage. The strain of L. plantarum studied was shown as a potential organism for use as probiotics in food, since it has shown high yield and good cell viability in the face of stress conditions used.

O ácido y-poliglutâmico (y-PGA) é um biopolímero solúvel em água, aniônico, atóxico, biodegradável e biocompatível, produzido por Bacillus e que possui aplicações nas áreas química, médica, ambiental e de alimentos. Este trabalho tem como objetivo estudar o processo de produção do y-PGA a partir do cultivo de uma nova linhagem de Bacillus isolada de ambiente amazônico, o Bacillus subtilis BL53. Este estudo inclui a seleção de culturas, a otimização de condições de cultivo e a prospecção de substratos de produção alternativos. A habilidade de produção de y-PGA por linhagens de Bacillus isoladas na região amazônica foi investigada. A linhagem BL53 foi a linhagem selecionada, sendo identificada como Bacillus subtilis, através da análise da seqüência do gene 16S DNAr e de suas características bioquímicas. A avaliação das condições de cultivo submerso foi conduzida em agitador orbital mediante delineamento composto central rotacional (DCCR) que apontou como ponto ótimo de produção de y-PGA, a temperatura de 37 oC, o pH inicial de 6,9 e a concentração de 1,22 mM de Zn2+ suplementada ao Caldo E. Nas condições otimizadas, a produção de y-PGA foi igual a 10,4 g/L, cerca de três vezes maior que a obtida em condições convencionais de cultivo em Caldo E, utilizando a mesma linhagem. A influência da disponibilidade de oxigênio sobre a produção de y-PGA por B. subtilis BL53 foi avaliada em biorreator agitado de 5 L, com o emprego das velocidades de agitação de 500, 750 e 1000 rpm, sendo mantida fixa a taxa de aeração de 2 vvm. A produção de y-PGA mostrou-se altamente dependente da transferência de oxigênio, sendo que o teor de oxigênio dissolvido decaiu rapidamente nas primeiras 15 horas de cultivo, como resultado da elevada demanda de oxigênio pelas bactérias. O aumento na velocidade de agitação no biorreator possibilitou uma maior transferência de oxigênio e induziu o aumento na taxa de consumo de oxigênio pelas bactérias, conduzindo a maior produção e maior produtividade de y-PGA. A intensificação da agitação também influenciou os parâmetros cinéticos de crescimento do Bacillus subtilis BL53, provocando um aumento na velocidade específica de crescimento na fase logarítmica (max) sem provocar a perda da viabilidade celular. Com a utilização da velocidade de agitação de 1000 rpm em biorreator, o tempo de cultivo pode ser reduzido para menos de 48 h, cerca de 50% do tempo necessário para operação a 500 rpm. A investigação de substratos alternativos para produção de y-PGA mostrou o glicerol residual de biodiesel e o resíduo fibroso de soja como substratos promissores, apontando para a possibilidade de investigação em trabalhos futuros. / The poly-gamma-glutamic acid (y-PGA) is a water-soluble biopolymer, anionic, non toxic, biodegradable and biocompatible, it is produced by Bacillus and it has applications in chemical, medical, environmental and food industries. This work aims to study the process of production of y-PGA through cultivation of a new strain of Bacillus isolated from the Amazonian environment, Bacillus subtilis BL53. This study includes the screening of strains, the optimization of culture conditions and the investigation of alternative substrates. The ability of y-PGA production by Bacillus strains isolated from Amazonian environment was investigated. The BL53 strain was selected and identified as Bacillus subtilis, through analysis of 16S rDNA gene sequence and its biochemical characteristics. Evaluation of culture conditions in submerged cultivation was conducted in shaker using central composite design (CCD), which showed the temperature of 37 oC, the initial pH 6.9 and concentration of 1.22 mM Zn2+ in Medium E as the optimal conditions to y-PGA production. Under optimized conditions, the production of y-PGA was 10.4 g/L, about threefold what was obtained using this strain under conventional cultivation in Medium E. The influence of oxygen availability on the production of y-PGA by B. subitlis BL53 was evaluated in a 5 l stirred bioreactor with the use of stirring rates of 500, 750 and 1000 rpm, using a fixed aeration rate of 2 vvm. Production of y-PGA was highly dependent on oxygen transfer, and the dissolved oxygen content decreased rapidly in the first 15 hours of culture as a result of high oxygen demand by bacteria. The increase in stirring rate in the bioreactor allowed a better oxygen transfer and induced a rise in the oxygen uptake rate by bacteria, leading to higher production and higher productivity of y-PGA. The intensification of the stirring also influenced the kinetics growth parameters of Bacillus subtilis BL53, producing an increase in specific growth rate in the logarithmic phase (max) without causing reduction of cell viability. Using the stirring rate of 1000 rpm in a bioreactor, the cultivation time can be reduced to less than 48 h, about 50% of the time required for operation at 500 rpm. The investigation of alternative substrates for the production of y-PGA showed crude glycerol from biodiesel and soybean industrial fibrous residue as promising ones, pointing to research possibilities in future work.

Made available in DSpace on 2016-08-17T18:39:28Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-03-30 / Valée S.A. / Swine erysipelas is one of the diseases responsible for the great economic losses in swine-producing areas of the world. The bacteria Erysipelothrix rhusiopathiae is the causative agent of erysipelas, and the vaccines currently available for prevention of this disease are produced with the whole broth culture containing the inactivated microorganism or its live-attenuated form. A surface protein was identified as the main antigen. It can be found in the culture supernatant or attached to the cell wall through interactions with the choline residues from the teichoic and lipoteichoic acids of this structure. Considering the lack of information in the scientific literature about studies concerning the growth pattern of this pathogen, the company Vallèe S.A, a Brazilian industry of veterinary pharmaceutical products, established a partnership with researchers form the Chemical Engineering Department of UFSCar with the purpose of developing the technology required for the production of the cited vaccine. In this context, the objective of this work was to optimize the growing conditions of E. rhusiopathiae to establish a protocol for production of high cellular concentrations, enough to prepare a vaccine against swine erysipelas offering the same or a higher protection level compared to the commercially available formulations. To achieve this goal, the growth kinetics of this microorganism was investigated under different aeration conditions (aerobiosis, anaerobiosis and microaerophilic condition), changes in the medium nutrient s concentration were analyzed, and mice protection tests using the prepared vaccines were performed. The studies about the aeration influence on the microorganism growth and the antigen expression were made using a 4.0 L stirred-tank bioreactor, with an agitation frequency kept between 100 and 400 rpm and air or N2 flow rate of 1.0 L/min. The studies for the improvement of the medium formulation were carried out in flasks incubated at static condition or under agitation of 200 rpm. The vaccines were prepared using medium harvested in both conditions. The temperature was set at 37°C and the initial pH at 8,0 in all experiments. Samples of culture supernatant and from cell extracts made with choline chloride were analyzed by electrophoresis under denaturating conditions (SDS-PAGE) to evaluate the antigen expression. The preliminary electrophoresis results indicated that the antigen production is associated to the cell growth and its expression is favored in the presence of oxygen. Cellular concentrations around 1,8 g/L were reached, in all different aeration conditions employed, using the stirred-tank bioreactor operating with pH automatic control and using the culture medium with nutrients concentrations increased in 50 % from the Feist medium described in literature. The vaccines prepared in aerobic and microaerophilic condition led to higher protection levels in the challenge-exposure tests, and a formulation made from an aerobic culture in bioreactor having a cellular concentration over 2,0 x 109 CFU/mL showed the same immunizing power as the three commercial vaccines used for comparison purposes. Observations about the inhibitory effects of metabolites accumulation and substrate saturation on the microorganism growth pointed the fed-batch as a promising operation mode to produce larger amounts of biomass. Cellular concentrations reached in the experiment ran under these condition were increased around five times. / A erisipela suína está entre as enfermidades que causam os maiores prejuízos na suinocultura mundial. O agente patogênico associado a esta doença é a bactéria Erysipelothrix rhusiopathiae, e as vacinas disponíveis atualmente para a prevenção da erisipela são produzidas com o caldo de cultivo deste microrganismo inativado ou atenuado. O principal antígeno identificado é uma proteína de superfície da bactéria encontrada no sobrenadante do caldo de cultivo ou aderida à parede celular através de interações com resíduos de colina dos ácidos teicóico e lipoteicóico desta estrutura. Diante da escassez de informações na literatura científica sobre estudos a respeito do crescimento deste patógeno, a empresa Vallèe S.A, indústria brasileira de produtos farmacêuticos de uso veterinário, firmou uma parceria com pesquisadores do Departamento de Engenharia Química da UFSCar para o desenvolvimento da tecnologia de produção dessa vacina. Assim, o presente trabalho teve como objetivo otimizar as condições de cultivo de E. rhusiopathiae de forma a estabelecer um protocolo de produção de altas concentrações celulares deste microrganismo, suficientes para produzir uma vacina contra a erisipela suína que oferecesse grau de proteção igual ou superior às formulações disponíveis no mercado. Para tanto, o crescimento do microrganismo foi estudado em diferentes condições de aeração (aerobiose, microaerofilia e anaerobiose), foram avaliadas alterações nas concentrações dos nutrientes do meio de cultivo e foram realizados testes de imunização em camundongos com as vacinas preparadas. Os estudos sobre o efeito da aeração no crescimento do microrganismo e na expressão do antígeno foram realizados em biorreator de 4,0 L, com uma faixa de agitação entre 100 e 400 rpm e vazão de ar ou N2 de 1,0 L/min. Os experimentos de aprimoramento do meio de cultivo foram conduzidos em câmara incubadora estática ou com agitação de 200 rpm. Já as vacinas foram preparadas em ambas as condições. A temperatura utilizada foi de 37°C e o pH inicial foi de 8,0 em todos os ensaios realizados. A expressão do antígeno foi avaliada por eletroforese em condições desnaturantes (SDS-PAGE) utilizando amostras do sobrenadante dos cultivos ou a partir de extratos das células preparados com solução de cloreto de colina. Os resultados destas análises revelaram que a produção do antígeno acompanha o crescimento celular e sua expressão é favorecida na presença de oxigênio. Concentrações celulares de até 1,8 g/L foram atingidas, nas três diferentes condições de aeração empregadas, nos cultivos realizados em biorreator com controle automático de pH e utilizando o meio de cultivo com as concentrações de nutrientes aumentadas em 50% em relação ao meio Feist modificado descrito na literatura. As vacinas preparadas com os cultivos aeróbio e microaerófilo proporcionaram um maior grau de proteção nos testes de imunização realizados, e a formulação preparada a partir de um cultivo aeróbio realizado em biorreator com concentração celular superior a 2,0 x 109 UFC/mL conferiu o mesmo nível de proteção que três vacinas comerciais utilizadas para fins de comparação. Observações sobre os efeitos de inibição do crescimento provocadas por acúmulo de metabólitos ou excesso de substrato, indicaram o modo de operação do biorreator em batelada alimentada como promissor para obtenção de maior concentração celular. Em um experimento realizado nesta condição a biomassa foi aproximadamente quintuplicada em relação aos ensaios em batelada simples.