A integração da tecnologia de separação por membrana em processos convencionais de lodos ativados representa uma inovação importante na evolução da tecnologia de tratamento biológico de efluentes. Este trabalho tem como objetivo avaliar o desempenho de um biorreator com membranas submersas, provido de um sistema de retrolavagem das membranas, utilizado para o tratamento contínuo de um efluente sintético. As membranas utilizadas foram do tipo fibras ocas e fabricadas do material poli(éter-imida). Foram testadas diferentes condições de aeração e freqüências de retrolavagens. Em todas as condições testadas foi observado o decréscimo contínuo e acentuado do fluxo permeado com o decorrer do tempo, com fluxos permeados finais aproximados de 10 L.m-2.h-1, e o sistema de biorreator com membranas aparenta não responder de forma adequada aos métodos de controle do fouling. Os experimentos mais longos, 80 horas de duração, apresentaram um decréscimo de 50% do fluxo permeado inicial nas melhores condições experimentais testadas, não sendo observado um estado estacionário para o fluxo permeado. Foi verificado que as características do efluente sintético (a base de soro de leite) têm influência na formação do fouling, já que mesmo na ausência de lodo ativado foi observada a redução do fluxo permeado de forma semelhante aos demais experimentos. Entretanto, após a substituição do efluente sintético por outro mais simples (a base de glicose e peptona) continuou sendo observado fouling intenso. Os dados experimentais foram ajustados aos modelos de Hermia e foi constatado que o mecanismo de formação de fouling segue os modelos de bloqueio completo e intermediário para a etapa inicial de permeação e o modelo de formação de camada de torta para a etapa final. Também foi realizado um estudo, em paralelo, sobre a adsorção de EPS nas membranas de poli(éter-imida). Foi verificado que a membrana de poli(éter-imida) sofre grande adsorção de EPS, mostrando elevada redução de permeabilidade. Foi proposto um modelo de redução de permeabilidade devido à adsorção de EPS que se revelou eficiente para a análise dos dados experimentais, mesmo quando utilizado na análise de dados de outros autores. / The integration of the membrane separation technology in conventional processes of activated sludge represents an important innovation in the technology evolution of biological wastewater treatment. This work evaluated the performance of a submerged membrane bioreactor, provided with a membrane backwashing system, used for the continuous treatment of a synthetic wastewater. The hollow fiber membranes were manufactured by polyetherimide material. Different aeration and backwashing cycles conditions were tested. The membrane bioreactor system seems not to answer satisfactorily to the strategies to limiting fouling. The continued and accented decrease of the permeate flux over time were observed for all the conditions tested, with final permeate fluxes approached of 10 L.m-2.h-1. The longer experiments, 80 hours of duration, presented a decrease of 50% of the initial permeate flux in the best tested experimental conditions, not being observed a steady-state permeate flux. It was verified that the synthetic effluent (whey based) has some influence in the fouling formation, since even in the absence of activated sludge it was observed a permeate flux reduction similar to that observed on the others experiments. However, intense fouling still was observed after changing the synthetic effluent for another more simple (glucose and peptone based). The experimental data were adjusted to the Hermia model. Fouling mechanism follows the complete and intermediate blocking models at the beginning of the permeation stage and the cake formation model for the later stage. A parallel study of the EPS adsorption in polyetherimide membranes was also carried out. Polyetherimide membrane presented great EPS adsorption with high permeability reduction. An EPS adsorption model was proposed and it showed efficient for experimental data analysis, even when other authors data were analyzed.

A vinhaça é o resíduo mais abundante gerado no processo de produção de etanol, sendo que a cada litro de etanol são gerados de 10 a 18 litros de vinhaça. Sua disposição é tema de grande preocupação, por sua elevada carga de matéria orgânica e o pH ácido. Embora seja um resíduo poluente, contém macronutrientes que podem ser usados para o cultivo de micro-organismos úteis aos seres humanos como é o caso apresentado neste trabalho, onde a vinhaça foi utilizada para cultivo da microalga Scenedesmus sp. As microalgas são apontadas como uma alternativa promissora para substituição dos combustíveis fósseis. Entretanto, seu custo ainda é elevado devido a vários fatores, dentre os quais os nutrientes que devem ser fornecidos para crescimento. Assim, o uso de rejeitos como fonte de nutrientes pode auxiliar a reduzir este balanço desfavorável. Este trabalho teve como objetivo avaliar a viabilidade técnica de produção da Scenedesmus sp. para tratar vinhaça de etanol de cana de açúcar. Inicialmente, testou-se a viabilidade de crescimento da microalga nesses meios. Uma vez corroborado que é possível seu crescimento, foram realizados planejamentos experimentais que avaliaram os fatores que influenciam no crescimento. O planejamento fatorial demonstrou que é possível cultivar microalgas em concentrações de até 40% de vinhaça. O planejamento composto central rotacional demonstrou o seguinte: a intensidade luminosa e a porcentagem de vinhaça influenciam na quantidade de biomassa a ser produzida, e a temperatura, entre 20 e 35°C, não tem um efeito significativo quando se trabalha com porcentagens menores que 40% de vinhaça. Foram analisados parâmetros como o DBO, conteúdo de nitrogênio e fósforo, que demonstraram que fotobiorreatores com até 32% geram vinhaça tratada com valores de DBO menores que 106 mg/L, conseguindo remover até 96% de nitrogênio e 99,9% de fósforo. Como dado adicional se avaliou os métodos de espectrofotometria e espectroscopia de fluorescência, que se mostraram métodos adequados para acompanhar o crescimento microalgal em fotobiorreatores. / Vinasse is one of the most polluting wastes generated in the process of ethanol production,with each liter of ethanol are generated between 10 to 18 liters os vinasse. Its suitable disposal is an issue of great concern due to its high load of organic matter and acidity. Although this is a polluting waste, contains nutrients which can be used for cultivation of micro-organisms that may be useful to humans as is the case presented in this work, where vinasse was used for cultivation of the microalgae Scenedesmus sp. Microalgae are currently reported in the literature as a promising alternative to replace fossil fuels. However, its cost is still high due to several factors, such as the nutrients that must be supplied for growth. Thus, the use of waste as a source of nutrients may assist in reducing this unfavorable balance. This study aimed to evaluate the technical feasibility of production of microalgae Scenedesmus sp. to treat ethanol stillage. First, cultivations with different percentages of vinasse were done aiming to verify wether they are able to grow in medium supplemented with vinasse. The factorial design has shown that it is possible to cultivate microalgae at concentrations up to 40% of vinasse in the culture medium. The central composite design showed that light intensity and percentage of vinasse influence the amount of biomass to be produced. Additionally, the temperature between 20 and 35°C has not a significant effect when working with percentages smaller than 40% of vinasse. The analyzed parameters were BOD, nitrogen and phosphorus content demonstrated that photobioreactors with up to 32% vinasse generate vinasse treated with BOD values lower than 106 mg/L achieving a remotion of 96% nitrogen and 99.9% phosphorus. Finally, it was also shown that spectrophotometry and 2D fluorescence spectroscopy are suitable methods for monitoring the microalgae growth.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul, FAPERGS

Devido à crescente preocupação com as questões ambientais envolvendo as emissões de gases que potencializam o efeito estufa e outros problemas associados aos combustíveis fósseis, o hidrogênio aparece como uma fonte de energia alternativa capaz de promover o desenvolvimento de forma sustentável. A produção de hidrogênio via fermentação anaeróbia é uma das rotas mais atraentes atualmente, envolvendo processos físicos, químicos e biológicos com inúmeras interações entre gases, líquidos e sólidos. No entanto, as pesquisas atuais têm dedicado especial atenção às características químicas e biológicas. Muitos reatores em escala real e de laboratório ainda são dimensionados por correlações empíricas, mas a compreensão dos fenômenos hidrodinâmicos envolvidos na produção de hidrogênio é um precursor necessário para a aplicação em projetos de escala industrial. Para otimizar o desempenho do reator, é essencial compreender a dinâmica das fases em seu interior. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é empregar técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD) para estudar e otimizar o comportamento fluidodinâmico de um reator anaeróbio sequencial em batelada (ASBR). Para tanto, foi adotada uma modelagem bifásica, tridimensional e turbulenta conduzida com o programa computacional OpenFOAM. Diferentes condições operacionais, configurações geométricas, bem como diferentes modelos, foram avaliados. Os resultados obtidos no estudo das forças interfaciais reforçam a importância e a necessidade de validar as simulações com dados experimentais, devido à grande variação nos resultados obtidos em cada caso simulado. Do ponto de vista das configurações geométricas e operacionais, observa-se que modificações na vazão e no sentido da recirculação, bem como alterações na geometria dos distribuidores afetam significativamente a velocidade de mistura e a energia cinética turbulenta no interior do reator. Estas modificações afetam a transferência de massa, a qual influencia diretamente na cinética das reações e possibilita uma maior produção e hidrogênio. Determinar o comportamento do reator de forma precisa é um precursor para propor alterações que melhorem a sua eficiência. / PETROBRAS, Brasil / Due to the growing concern with environmental issues involving the emission of gases that enhance the greenhouse effect and other problems associated with fossil fuels, hydrogen arises as an alternative source of energy capable of promoting development on a sustainable manner. Hydrogen production via anaerobic fermentation is currently one of the most attractive routes, involving physical, chemical and biological processes with numerous interactions between gas, liquid and solid. However, current research has devoted special attention to chemical and biological characteristics. Many full-scale and laboratory-scale reactors are still dimensioned using empirical correlations, but the understanding of hydrodynamic phenomena involved in the production of hydrogen is a necessary precursor for the application in industrial scale projects. To optimize the performance of the reactor, it is critical to understand the dynamics of the phases inside. In this context, the aim of this work is to employ computational fluid dynamics (CFD) techniques to study and optimize the fluid dynamic behavior of an anaerobic sequential batch reactor (ASBR). Thus, a two-phase, threedimensional and turbulent modeling was adopted, and simulations were conducted with the computer program OpenFOAM. Different operating conditions, geometric configurations and different models were evaluated. The results obtained in the study of interfacial forces reinforce the importance and the need to validate the simulations with experimental data, due to the large variation in the results obtained in each simulated case. Concerning geometric and operational settings, it was observed that changes in flow direction and recirculation, as well as changes in the geometry of distributors, affect significantly the velocity and the turbulent kinetic energy inside the reactor. These changes affect the mass transfer, which directly influences the reaction kinetics and enables greater production of hydrogen. The accurate establishment of the reactor behavior is a precur or to propose changes in order to improve its efficiency.

Orientador: João Cláudio Thoméo / Banca: José Teixeira Freire / Banca: Pedro de Oliva Neto / Banca: Andreas Bück / Banca: Vanildo Luiz Del Bianchi / Resumo: Esta tese trata da ampliação de escala de biorreatores de leito empacotado para produção de celulases fúngicas por fermentação em estado sólido (FES), constando de etapas experimentais, desenvolvidas no Brasil, e de modelagem e simulação, realizada na Alemanha. Em escala de frascos, foram obtidos parâmetros cinéticos de crescimento dos fungos termofílico Myceliophthora thermophila I-1D3b e mesofílico Trichoderma reesei QM9414. O crescimento foi estimado com base no teor de proteínas e as velocidades específicas de crescimento foram μ = 0,06 e 0,10 h-1 para os fungos termo e mesofílico, respectivamente. No período sanduíche, foi proposto um modelo heterogêneo bidimensional capaz de prever perfis de temperatura, umidade e crescimento fúngico ao longo do processo em qualquer posição do biorreator. Simulações empregando este modelo ao cultivo de M. thermophila em biorreator de leito empacotado com 7,62 cm de diâmetro interno indicaram que não deveria haver sobreaquecimento, mas perfis de umidade poderiam comprometer a produtividade na zona próxima à entrada de ar. Em ampliação de escala, foram realizados experimentos em biorreatores de leito empacotado empregando-se ambos os fungos e, como substratos, bagaço de cana e farelo de trigo. O rendimento do processo foi medido em termos de atividades celulolíticas, bem como se analisaram perfis de temperatura ao longo do processo e de umidade final do fermentado. Para ambos os fungos, em biorreator com 7,62 cm de diâmetro, não houve sobreaquecimento do leito para substrato contendo fibras de bagaço, concordando com simulações. Em biorreator com diâmetro 20 cm, observou-se um perfil térmico radial expressivo, com aumento de temperatura de até 10 ºC no centro do leito. Com o fungo termofílico M. thermophila, as atividades médias de endoglucanase e xilanase atingiram, respectivamente, 785 e 2120 U/gss no biorreator estreito e 580 e 2070 U/gss no biorreator largo... / Abstract: This thesis deal with the scale-up of packed-bed bioreactors for fungal cellulases production by solid-state fermentation (SSF), comprising experimental steps, developed in Brazil, and modeling and simulation, developed in Germany. At flasks scale, growth kinetic parameters were obtained for thermophilic fungus Myceliophthora thermophila I-1D3b and mesophilic one Trichoderma reesei QM9414. Growth was estimated based on protein content and specific growth rates were μ = 0,06 and 0,10 h-1 for thermo and mesophilic fungi, respectively. During the abroad period, it has been proposed a heterogeneous two-dimensional model able to predict temperature, moisture content and fungal growth profiles throughout the process at any position of the bioreactor. Simulations using this model for the cultivation of M. thermophila in a packed-bed bioreactor with internal diameter 7.62 cm addressed that is shouldn't happen overheating; however, moisture content profiles could harm enzyme productivity in the vicinity of the air inlet. On scaling-up, experiments in packed-bed bioreactors employing both fungi and sugar cane bagasse and wheat bran as substrates were carried out. The process yield was measured as cellulolytic activities, as well as temperature profiles along the process and final moisture contents of the fermented materials were obtained. For both fungi, in bioreactor with 7.62 cm diameter, there was no overheating of the bed when substrate contained bagasse fibers, agreeing with simulations. In bioreactor with 20 cm diameter, an expressive radial thermal profile has been observed, with temperature increasing up to 10 ºC at bed central axis. With thermophilic fungus M. thermophila, average activities of endoglucanase and xylanase reached, respectively, 785 and 2120 U/gss in thin-bioreactor and 580 and 2070 U/gss in large-bioreactor. With mesophilic fungus T. reesei, average activities of endoglucanase and ... / Doutor

Orientador: Roberto da Silva / Coorientador: Ana Lúcia Barretto Penna / Banca: Carolina Merheb Dini / Banca: Elisa Helena Giglio Ponsano / Banca: Gustavo Orlando Bonilla Rodriguez / Banca: Vanildo Luiz Del Bianchi / Resumo: Peptidases coagulantes microbianas estão sendo cada vez mais utilizadas na indústria láctica para produção de queijos. Produzir uma enzima coagulante com elevada Razão (R) entre a atividade coagulante (AC) ou específica e atividade proteolítica (AP) inespecífica tem se tornado o objetivo de muitos estudos, já que a atividade inespecífica pode prejudicar a qualidade do produto final. O presente estudo objetivou otimizar a produção submersa, aumentar a escala de fermentação, purificar e caracterizar e a aplicar a enzima coagulante do Thermomucor indicae-seudaticae N31 na produção do queijo mussarela. A aplicação do Plackett-Burman e Doehlert design para a otimização da AC resultou no aumento de 11,66 vezes (10,46 para 122,0 U/mL). A melhor condição de produção da enzima em Erlenmeyer foi entre 4,1 - 4,7 % de farelo de trigo, 40,5 a 41,75 ºC °C, 0,4 % (NH4)2SO4, 0,4 % MgSO4.7H2O e 0,1 % NH4NO3, 150 rpm, 96 horas de incubação e pH 5,5. O melhor período para produção da enzima em biorreator com agitação mecânica ocorreu em 96 horas e pH 6,48, apresentando uma Razão AC/AP de 647. A enzima apresentou resistência aos repetidos processos de congelamento e descongelamento. O processo de purificação consistiu da concentração em dialisador tangencial e cromatografia de troca iônica em resina Q-Sepharose com tampão acetato 0,02 mol/L e pH 4,6, apresentando uma banda homogênea em SDS-PAGE. A enzima purificada apresentou pH ótimo 5,3 (R=786), temperatura ótima 65 °C (R=3417), ativação da... / Abstract: Microbial peptidases coagulants are being increasingly used in the dairy industry for cheese production. Producing a clotting enzyme with high ratio (R) between milkclotting activity (MCA) or specific activity and proteolytic activity (PA) or non-specific has become the object of many studies, since non-specific activity may damage the quality of the final product. The present study aimed to optimize submerged production, increase fermentation scale, purify and characterize and to apply the milk-clotting enzyme produced by Thermomucor indicae-seudaticae N31 in the production of mozzarella cheese. The application of Plackett-Burman and Doehlert design to the optimization of MCA resulted in an increase of 11.66 times (10.46 to 122.0 U/mL). The best enzyme production condition in Erlenmeyer was between 4.1 - 4.7 % wheat bran, 40.5 to 41.75 °C, 0.4% (NH4)2SO4, 0.4% MgSO4.7H2O and 0.1% NH 4NO3, 150 rpm, 96 hours of incubation and pH 5.5. The best period for the production of the enzyme in a mechanical agitation bioreactor occurred in 96 hours and pH 6.48, presenting a Ratio MCA/PA of 647. The enzyme showed resistance to repeated freezing and thawing processes. The purification process consisted of the concentration in a tangential dialyzer and ion exchange chromatography on Q-Sepharose resin with 0.02 mol/L acetate buffer and pH 4.6, presenting a homogeneous band on SDS-PAGE. The purified enzyme had an optimum pH of 5.3 (R = 786), optimum temperature 65 ° C (R = 3417), activation of the milk-clotting activity during 24 hours of exposure at pH 4.0 (R = 5023) and 4.5 (R = 3518) and thermal stability at 55 °C for 5 hours of exposure (R = 480). CaCl2 positively influenced until the concentration of 0.06 mol/L (MCA = 101 U/mL). The production of mozzarella cheese was performed with the coagulant Thermomucor indicae-seudaticae N31 (TC) and with a commercial coagulant (CC). The cheeses ... / Doutor

A prática da troca de óleo lubrificante usado, particularmente óleos automotivos, representa um grave problema ambiental em função de sua natureza perigosa, do manuseio incorreto e do descarte indiscriminado no meio ambiente. A investigação quanto à remediação de áreas contaminadas por esse resíduo torna-se necessária, particularmente para solo de natureza argilosa. O presente estudo teve por objetivo avaliar a biorremediação de um solo argiloso contaminado por óleo lubrificante utilizando biorreatores de fase semi-sólida. Frascos tipo Erlenmeyer, contendo 20 g de solo contaminado com 3% (m/m) de óleo lubrificante, em triplicata, foram mantidos em temperatura e agitação constantes, segundo as seguintes estratégias de tratamento: (i) Bioestímulo com ajuste de nutrientes (BIOE); (ii) Bioaumento com adição de inóculo microbiano aclimatado (BIOA); (iii) Bioestímulo e adição de surfactante sintético Tween-80 (BIOES); (iv) Bioaumento, bioestímulo e surfactante sintético Tween-80 (BIOAS) e (iv) controle, com água destilada purificada (CONT). A eficiência de remoção do contaminante foi avaliada após 68 dias de tratamento por análises de evolução de CO2, redução de COT, decaimento de HTP, de n-alcanos e frações de hidrocarbonetos saturados, aromáticos e compostos polares. O tratamento BIOAS resultou na maior produção de CO2 acumulada (1247,0 mg.20g-1 de solo) seguida pelo tratamento BIOES (1077,6 mg.20g-1 de solo). Ao final do experimento, todos os tratamentos reduziram significativamente os teores de HTPs quando comparados ao controle (11,14,2%). Os tratamentos BIOAS e BIOES não apresentaram diferenças significativas quanto à redução de HTPs (42,03,7% e 37,46,3%, respectivamente). Tanto o bioestímulo quanto o bioaumento mostraram-se estratégias com potencial para aumentar a eficácia da biorremediação de solos argilosos, sendo que a adição de surfactante foi o fator mais importante, tendo aumentado significativamente a capacidade de remoção em ambas as estratégias. O uso de biorreatores em fase semi-sólida na biorremediação de solo argiloso contaminado com óleo lubrificante mostrou-se bastante promissor e tal estratégia pode ser aplicada em escala imediatamente superior / The practice of exchange of used lubricating oil, automotive oils in particular, represents a serious environmental problem due to its hazardous nature, the misuse and its indiscriminate disposal of same in the environment. Strategies for remediation of contaminated areas by this waste are necessary, particularly in case of soils with clayey nature. This study aimed to evaluate the bioremediation of a clayey soil contaminated by lubricating oil using bioreactors of semi-solid phase. Erlenmeyer flasks containing 20 g of contaminated soil with 3% (w / w) of lubricating oil, in triplicate, were kept at constant temperature and agitation, according to the following treatment strategies: (i) biostimulation with nutrient adjustment (BIOE), (ii) addition of bioaugmentation with microbial inoculum acclimated (BIOA), (iii) addition of biostimulation and synthetic surfactant Tween-80 (BIOES) (iv) bioaugmentation, biostimulation and synthetic surfactant Tween-80 (BIOAS) and (iv) control with purified distilled water (CONT). The contaminant removal efficiency was evaluated after 68 days of treatment by analysis of evolution of CO2, reduction of TOC, decay of HTP, n-alkanes, and fractions of saturated hydrocarbons, aromatics and polar compounds. The BIOAS treatment resulted in increased accumulated production of CO2 (1247.0 mg.20g-1 soil) followed by BIOES treatment (1077.6 mg.20g-1 soil). At the end of the experiment, all treatments significantly reduced the levels of HTP as compared to control (11.1 4.2%). The BIOAS and BIOES treatments presented no significant differences in the reduction of HTP (42.0 3.7% and 37.4 6.3%, respectively). Both biostimulation and bioaugmentation were shown to be strategies with potential to increase the effectiveness of bioremediation in a clayey soil, and the addition of surfactant being the most important factor, increasing significantly the capacity of removal in both strategies. The use of bioreactors in semi-solid phase bioremediation in a clayey soil contaminated by lubricating oil proved to be very promising, and this strategy can be applied to at higher scales

Submitted by Caroline Perez (lopesperezcaroline@gmail.com) on 2017-03-15T13:18:05Z No. of bitstreams: 1 Caroline_Lopes_Perez_Dissert_Final.pdf: 6948213 bytes, checksum: 88316394d4ffc78684a65d0a022b2c93 (MD5) / Approved for entry into archive by Juliano Benedito Ferreira (julianoferreira@reitoria.unesp.br) on 2017-03-21T14:27:52Z (GMT) No. of bitstreams: 1 perez_cl_me_sjrp.pdf: 6948213 bytes, checksum: 88316394d4ffc78684a65d0a022b2c93 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-21T14:27:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 perez_cl_me_sjrp.pdf: 6948213 bytes, checksum: 88316394d4ffc78684a65d0a022b2c93 (MD5) Previous issue date: 2017-03-03 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Esta dissertação apresenta um estudo sobre a ampliação de escala de biorreatores de leito empacotado para produção de celulases e hemicelulases por fermentação em estado sólido (FES) empregando o fungo termofílico Myceliophthora thermophila I-1D3b e substrato composto por bagaço de cana de açúcar e farelo de trigo. As etapas de desenvolvimento do projeto consistiram em ensaios em biorreator de diâmetro interno e altura iguais a 7,62 e 10 centímetros, de modo que foram realizados ensaios variando tamanho das partículas de bagaço de cana, densidade bulk do leito, taxas de aeração e modo de distribuição da vazão de ar. Com base nos resultados obtidos, observou-se que partículas de bagaço de tamanho reduzido fornecem bons rendimentos de atividades enzimáticas quando submetidas a altas taxas de aeração em leitos de elevada densidade. Partículas maiores forneceram melhores resultados para leitos de �bulk= 0,395 g/cm3 , bem como a utilização de vazão de ar determinada com base no número de Damköhler modificado igual a 1. Resultados obtidos em ensaios em biorreatores de 0,8 metros, com e sem distribuição de ar, mostraram que inserir ar ao longo do leito é uma estratégia que permite aeração eficiente ao longo do sistema fermentativo, sem que ocorra secagem excessiva do substrato. Atividades relativas de CMCase e xilanase atingiram cerca de 1,2 e 0,7, respectivamente. As etapas finais consistiram em fermentações realizadas em biorreator de diâmetro interno e altura iguais a 20 centímetros. Nessas condições, foram testadas duas formas de distribuição de ar ao longo do leito de quatro módulos fermentativos: utilizando um tubo interno perfurado no módulo central inserindo metade da vazão total, e a outra metade inserida pelo inferior do leito e utilizando um tubo interno central, com quatro orifícios por módulo para espalhamento da vazão. Em termos de produção de celulase, o tubo no módulo central se mostrou a melhor alternativa para o aumento de escala, chegando a apresentar 0,8 de atividades enzimáticas relativas de CMCase, e em termos de atividades relativas de xilanase, a melhor opção foi o tubo interno longitudinal, apresentando valores de 0,55. Diante do exposto, o número de Damköhler modificado é interessante do ponto de vista de aumento de escala, no entanto é preciso ainda entender o mecanismo de atividade respiratória dos microrganismos para que os conceitos possam ser aplicados em sinergia, podendo-se assim esperar bom desempenho do processo em escala industrial. / This work presents a study of scale–up packed bed bioreactors for the production of cellulases and hemicellulases by solid-state fermentation (SSF) using the thermophilic fungus Myceliophthora thermophila I-1D3b and substrate composed by sugar cane bagasse and wheat bran. The development phases of the project consist in tests using bioreactors composed by internal diameter and height equal to 7.62 and 10 centimeters, respectively, so that the assays vary the size of the sugar cane bagasse particles, the bulk density, the airflow rate and how’s distributed along the bed. Based on the results obtained, it was defined that the particles of small size provide good results of enzymatic activity yields when submitted to high aeration rates in high bulk density beds. When testing normal size sugarcane bagasse particles, the best results were obtained for the beds with �bulk= 0,395 g/cm3 as well as airflow rate based on the modified Damköhler number equal to 1. Results obtained in tests in 0,8 meter height bioreactors, with and without airflow distribution, show that inserting air in different bed heights is a strategy to ensure efficient aeration throughout the fermentation system without excessive drying of the substrate. Activities related to CMCase and xylanase reached about 1.2 and 0.7, respectively. The final stages consisted in perform fermentation assays in a bioreactor of internal diameter and height equal to 20 centimeters. Under these conditions, two forms of long-term distribution were tested: using an internal ring to insert half of the total flow, together with the other half inserted in the lower part of the bed and using a central internal pipe with 4 holes per module for airflow distribution. In terms of cellulase production, the internal ring showed a better alternative for scaling-up, reaching a valeu of 0.8 CMCase relative enzymatic activities, and with respect to xylanase relative enzymatic activities, the best option was the central pipe, presenting values of 0,55. On the above, the modified Damköhler number is interesting when it refers to scale-up, although it’s necessary to understand the mechanism of respiratory activity of the microorganisms so that the concepts can be applied in synergy, and it can be expected good process performance in industrial scale. / CNPq: 132957/2016-7

Orientador: Vanildo Luiz Del Bianchi / Banca: Claudia Dorta / Banca: Crispin Humberto Garcia Cruz / Resumo: O soro de leite é um subproduto de elevado valor nutricional, composto principalmente por lactose e proteínas. Representa uma fonte rica de nutrientes, podendo ser utilizado em diversos processos fermentativos, porém quando descartado de maneira incorreta pode gerar sérios problemas ao meio ambiente devido a sua elevada carga orgânica. Desta maneira, o objetivo do trabalho foi avaliar a produção de etanol e redução da matéria orgânica por Kluyveromyces marxianus 229 em meios compostos por soro de leite. Os meios foram fermentados por 48 horas em condições aeróbias e anaeróbias em diferentes concentrações de soro de leite (100%, 80%, 50% e 25%) e inoculo inicial (5%,10%,15% e 20%). Em intervalos de 6 horas alíquotas dos meios fermentativos foram retiradas para realizar análise de etanol, carboidratos, proteínas, e demanda química de oxigênio (DQO). A maior produção de etanol ocorreu nos meios compostos por maiores concentração de nutrientes (MSL1), e com 10% de inoculo inicial, chegando a produzir 18,70 g/L de etanol em 10 horas de fermentação e 17,20 g/L de etanol em 18 horas de fermentação em condições aeróbias e anaeróbias respectivamente. Porém, em termos de rendimento etanólico teórico, os meios que apresentaram 50% de soro de leite (MSL3), foram os que obtiveram melhores resultados, chegando a um rendimento de 71,80% em aerobiose e 68,11% em anaerobiose . Em relação à produção e produtividade celular, os meios MSL1 com 15% de inoculo foram os que obtiveram resultados mais satisfatório, com 6,45 g/L e 0,53 g/L.h respectivamente em aerobiose e 5,44 g/L e 0,22 g/L.h respectivamente em anaerobiose. A levedura K. marxianus 229 apresentou melhores resultados quanto a redução da DQO nos meios de menor concentração de nutrientes (MSL4), chegando a reduzir até 94,26% e 83,28%... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Whey, a by-product with high nutritional value, mainly composed by lactose and proteins, represents a rich source of nutrients that can be used in different fermentation processes. However, when it's incorrectly disposed, can cause, however when it's incorrectly disposed it can cause serious problems to the environment due its high organic load. Thus, the aim of this study was to evaluate the ethanol production and the organic matter reduction by Kluyveromyces marxianus 229 in a media composed of whey. The media was fermented for 48 hours under aerobic and anaerobic conditions at different concentrations of whey (100%, 80%, 50% and 25%) and initial inoculums (5%, 10%, 15% and 20%). Aliquots of fermentation media were taken every 6 hours to perform analysis of ethanol, carbohydrates, proteins and chemical oxygen demand (COD). Ethanol production was higher in media containing higher nutrients concentration (MSL1) and 10% of initial inoculums, reaching 18.70g/L of ethanol after 10 hours and 17.20g/L after 18 hours of fermentation under aerobic and anaerobic conditions, respectively; though in terms of theoretical ethanol yield, the media containing 50% of whey (MSL3) obtained better results, reaching a yield of 71.80% under aerobic condition and 68.11% under anaerobic condition. Regarding the cellular production and productivity, the media MSL1 containing 15% of inoculum obtained more satisfactory results, presenting 6.45g/L and 0.53 g/L.h respectively under aerobic condition and 5.44g/L and 0.22 g/L.h respectively under anaerobic condition. The yeast K. marxianus 229 showed better results for the COD reduction in the media with lower nutrients concentration (MSL4), reducing to 94.26% and 83.28% after 48 hours of aerobic and anaerobic fermentation respectively. These results... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

O mercado de biorreatores com membranas (BRMs) têm exibido alto crescimento. Contudo, o fouling diminui o desempenho desses sistemas drasticamente. A aeração promove a mitigação do fouling, mas possui alto custo operacional (de até 70% do total da demanda energética) e é utilizada de forma otimizada apenas 10% das vezes, gerando a necessidade de estudos sobre a hidrodinâmica em BRMs. Ferramentas de dinâmica de fluidos computacional (CFD) são úteis para esse tipo de análise. Um dos primeiros passos para encontrar uma solução apropriada em simulações numéricas é propor uma modelagem correta. Dentre os fenômenos a serem modelados, os efeitos da turbulência são provavelmente um dos mais importantes; porém, nenhum artigo que comparasse predições com base na escolha de modelo de turbulência para simulações de sistemas BRM foi encontrado. Dessa forma, o objetivo desse trabalho foi verificar a importância da escolha do modelo de turbulência para simulações de biorreatores com membranas através de CFD. Para isso, as predições obtidas de velocidade local próxima às superfícies das membranas e de tensão cisalhante nessas superfícies para duas taxas de aeração, 5 e 15 m³/h, empregando dois modelos de turbulência, k-ϵ com funções de parede para alto (aR) e para baixo número de Reynolds (bR) e k-ω SST (Shear Stress Transport) com funções de parede automáticas, na análise de um sistema BRM foram comparadas entre si e com dados experimentais e simulados disponíveis na literatura. Os perfis temporais da velocidade e da tensão cisalhante exibiram alta variabilidade no período das oscilações em certos pontos, exigindo um longo tempo de escoamento para a convergência das variáveis locais. Identificou-se a necessidade de outorgar maior importância à definição do intervalo de tempo de coleta de dados experimentais, de modo a adquirir médias representativas do perfil dinâmico das variáveis e destes perfis serem também analisados para comparações mais definitivas entre resultados de simulações e medições experimentais. As diferenças, entre as medições experimentais da literatura e predições, obtidas pelas simulações deste trabalho foram, no geral, de ordem similar ou menores que as obtidas pelas simulações na literatura. Além disso, maior atenção deve ser dada à escolha da estratégia de modelagem de turbulência, visto que houve alta sensibilidade das predições, que variaram em até 21,6% dependendo dessa escolha. / Membrane bioreactors (MBR) market has been showing high growth rates over recent years. However, membrane fouling drastically reduces MBR overall performance. Aeration promotes fouling mitigation, but at a high operational cost (up to 70% of the MBR energy demand) and it is optimally employed only in 10% of the cases. This created the need of studies focused on MBR hydrodynamic. Computational fluid dynamics (CFD) is a useful tool for hydrodynamic analysis. One of the first steps in finding a proper solution for numerical simulation is proposing a correct modelling. Among the phenomena to be modelled for MBR simulations, turbulence effects are probably one of the most important; nevertheless, no paper comparing the predictions based on the turbulence model choice for MBR simulations was found. In sight of that, this work aimed to verify the relevance of the choice of turbulence model for MBR simulations through CFD. Predictions of local velocities near membranes surfaces and of local shear stress on those surfaces, for two aeration rates (5 and 15 m³/h), employing k-ϵ with wall functions for high (aR) and low (bR) Reynolds number and k-ω SST with automatic wall functions, on the analysis of a MRB system, were compared between each other and with experimental and simulated data available in the literature. The velocity and shear stress temporal profiles showed oscillations with highly variable periods in some points, which required a long process real time to verify the local variables convergence. It was identified the need to give more importance to the definition of the time interval for experimental data collection in order to acquire reliable temporal means; also, one must properly analyze the temporal profiles for more definitive comparisons between predictions and experimental measurements. The differences, between experimental data and predictions, obtained through this work simulations were, in general, of similar order or smaller than the ones reported in the literature. Besides, more attention must be given to the turbulence modelling choices, since the predictions obtained here were highly sensitive to those choices, showing differences up to 21,6% among them.