Several commercially available reverse osmosis (RO) membranes were characterized with aqueous solutions of ammonium sulfate, potassium triphosphate, and mixtures of these two salts at different feed concentrations, compositions and pressures. The objective of this study was to investigate the rejection of these solutes, in particular the ammonium ion (NH4+), by different RO membranes. The aqueous solutions were assumed to come from an anaerobic digester via a process, currently under investigation by CHFour Biogas Inc., to maintain low concentrations of ammonia in the digester in order to maximize the biogas production. The ammonium ions present in the liquid produced from the process are then concentrated using membrane separation. The concentrated ammonium solution would be a valuable fertilizer that could be used by agriculture. The membranes were characterized with three models: the solution-diffusion model, the Kedem-Katchalsky model, also known as the irreversible thermodynamics model, and the Donnan Steric Pore Model (DSPM). The solution-diffusion and irreversible thermodynamics models were found to be inadequate for proper membrane characterization and the use of the DSPM model yielded membrane properties in good agreement with those found in already existing literature. The pore radius of investigated membranes ranged from 0.39 to 0.51 nm. The effect of pH on membrane surface charge was also studied, with the conclusion that increases in pH led to increasingly negative surface charges. This affected the transport of individual ions through the membrane due to preferential passage of the counter-ions. The effects of applied pressure on the stoichiometric nature of salt rejections were also studied. The minimal observed rejection from the range of experiments carried out using ammonium sulfate was 93%Non-stoichiometric rejections of ions were also observed in the experiments with single and multiple solutes. Furthermore, the rejection of ammonium ions in the presence of other ions (K+, SO42-, PO43-) increased as feed concentration increased, which was a result of the synergistic effects of feed pH and ionic interactions. The minimum NH4+ rejection in the presence of other ions was 95.4%, which suitability using RO membranes for concentration of ammonium from dilute aqueous solutions.

The start-up and step-up operation of two 16-liter, continuously operated, upflow anaerobic reactors receiving baker's yeast wastewater is presented in this thesis. The two reactors (A and B) were almost identical in construction. Reactor A was a conventional upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor, and reactor B was a hybrid reactor. In addition to all the features of a UASB reactor, a fixed-film structure was installed in the mid section of the reactor B. Both reactors were operated at 35 °C and at a constant hydraulic retention time of 7 days. The waste strength, expressed in chemical oxygen demand (COD), was varied from 8 g COD liter⁻¹ (during the start-up) to 58 g COD liter⁻¹. The organic loading rate ranged from 1.1 to 9.4 g COD liter⁻¹ day⁻¹. The start-up lasted for the first 46 days. Towards the end of the start-up, methane production rates of 0.23 and 0.28 liter CH₄ liter⁻¹ day⁻¹ and COD reductions of 62.2% and 67.2% were achieved at organic loading rates of 1.1 and 1.3 g COD liter⁻¹ day⁻¹ for reactors A and B respectively. During the step-up operation, maximum methane production rates were, for reactors A and B respectively, 0.91 and 0.95 liter CH₄ liter⁻¹ day⁻¹ at organic loading rates of 5.8 and 6.4 g COD liter⁻¹ day⁻¹. In addition, reactor profiles for sludge concentration, pH, volatile fatty acids, and COD are also presented. / Applied Science, Faculty of / Chemical and Biological Engineering, Department of / Graduate

Avloppsreningsverket Sundet i Växjö har en rötningsanläggning som producerar biogas. Anläggningen består idag av två rötkammare och en maskin för avvattning som substratet går igenom efter rötningen. Substratet som används i rötningsprocessen är avloppsslam från Växjö. Planer finns på att utöka processen med en tredje reaktor i vilken det rötade slammet ska återrötas. Detta för att få ut mer biogas ur slammet. Det rötade slammet från reaktor 1 och 2 planeras genomgå tre förbehandlingssteg i form av fasseparering, sönderdelning och hygienisering innan det går till den tänkta reaktor 3. I arbetet genomförs ett rötningsförsök av rötat slam från Sundet med hjälp av satsvisa reaktorer som ska representera den planerade tredje reaktorn. Syftet med arbetet är därmed att undersöka hur mycket mer biogas det går att utvinna genom en andra rötningsprocess. Beräkningar på hur mycket energi det kommer gå åt i förbehandlingsstegen och hur mycket extra energi som går att utvinna i form av biogas från rötningsförsöket utfördes i arbetet. Resultaten visar att det går att utvinna mer metanrik biogas ur slammet och att förbehandlingsstegen fasseparering och sönderdelning kostar små mängder energi i förhållande till hur mycket extra energi som den extra biogasen ger. Hygieniseringen beräknas kosta förhållandevis mycket energi jämfört med den energin från den producerade biogasen. / The municipal waste treatment plant Sundet in Växjö currently has a digestion plant producing biogas. The facility consists of two digesters and a machine that dewaters the sludge after the reactors. The substrate that is used in the reactors consists of sewage sludge from Växjö. There are plans to expand the process with a third reactor in which the digested sludge will be digested a second time in order to extract more biogas. The digested sludge from reactor 1 and 2 is planned to undergo three pretreatment steps in the shape of phase separation, decomposition and sanitation before it reaches reactor 3. In the thesis a digestion process is carried out with digested sludge from Sundet in batch reactors that represents the planned third reactor. The purpose is to analyze how much extra biogas that can be extracted with a second digestion process. Calculations of how much energy that is necessary for the pretreatment stages and how much extra energy that can be extracted in the shape of biogas from the digestion process was made in the thesis. The results from the experiments shows that it is possible extract more methane rich gas from the sludge and that the pre treatment stages phase separation and decomposition use small amounts of energy compared to how much energy the extra gas gives. The sanitation process is estimated to cost quite a lot of energy compared to the energy extracted through biogas.

Orientador: Gláucia Maria Pastore / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-26T14:43:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sancho_RenataAparecidaSoriano_D.pdf: 2230082 bytes, checksum: b2618836eaa99bfffc96d493f873e0a6 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A ingestão de alimentos ricos em compostos bioativos está associada ao menor risco de doenças crônicas. Diferentes mecanismos estão envolvidos, principalmente através de seu potencial antioxidante. O objetivo deste estudo foi determinar a atividade antioxidante e os teores de diferentes compostos bioativos presentes nos extratos das cascas de feijão preto e roxinho e avaliar as propriedades antioxidantes e antidiabéticas do extrato rico em antocianinas de casca de feijão preto (ERA). Extratos de feijão preto e roxinho foram submetidos à digestão in vitro e avaliados através das determinações de fenóis totais, flavonoides totais, taninos condensados, antocianinas monoméricas e atividade antioxidante por meio de dois diferentes métodos. No ERA, as antocianinas foram identificadas e quantificadas por cromatografia líquida de alta eficiência acoplada a espectrômetria de massas. Antocianinas monoméricas, fenóis totais e atividade antioxidante através dos ensaios TEAC (Trolox Equivalent Antioxidant Capacity) e ORAC (Oxygen Radical Absorbance Capacity) também foram avaliados antes e após a digestão in vitro No ensaio in vivo, o efeito da administração do ERA foi investigado em ratos com Diabetes induzido por estreptozotocina. Ratos Wistar foram distribuídos em 5 grupos (controle normal, normal tratado com ERA, controle diabético, diabético pré-tratado com ERA e diabético pós-tratado com ERA) e tratados durante 3 semanas. Glicemia, peso corpóreo, perfis enzimáticos hepático e renal, histologia dos tecidos pancreático e hepático foram avaliados, além do potencial antioxidante, através da análise das enzimas catalase, glutationa redutase e do ensaio ORAC plasmático. O feijão preto apresentou uma concentração dez vezes maior de antocianinas que o feijão roxinho (0,83±0,04 e 0,08±0,01 mg equivalentes cianidina 3-glicosídeo/g). Após a digestão in vitro, as antocianinas não foram detectadas, os fenóis totais dos extratos de feijão preto e roxinho tiveram reduções respectivas de 75% e 52%. Os taninos condensados apresentaram redução de 90% em ambos os extratos. Na análise dos flavonoides, a concentração do feijão roxinho permaneceu inalterada e o feijão preto apresentou redução de 21%. O feijão roxinho apresentou maior capacidade de neutralização do radical ABTS que o feijão preto, com respectivos 21,9±0,5 e 17,4±0,1 µM equivalentes Trolox/g. A digestão in vitro não afetou a capacidade antioxidante dos extratos analisados por este método. No ensaio ORAC, os feijões apresentaram aumento da capacidade antioxidante com 43,2% e 32,6% para os feijões preto e roxinho, respectivamente. Delfinidina 3-glicosídeo, petunidina 3-glicosídeo e malvidina 3-glicosídeo foram identificadas no ERA. A digestão provocou decréscimo de 90% na concentração das antocianinas e de 45% nos fenóis totais. A atividade antioxidante no ensaio TEAC foi reduzida em 28% e no ensaio ORAC em 35%. O ensaio in vivo mostrou os efeitos protetores do ERA apenas no grupo pré-tratado, com melhora dos níveis da glicemia e ganho de peso. Neste mesmo grupo, alterações pancreáticas, hepáticas e renais foram menos acentuadas do que nos outros grupos diabéticos. O tratamento com ERA, subsequente à indução do Diabetes não reduziu os danos teciduais, as alterações biológicas ou melhorou o estado geral dos animais. Neste modelo experimental, o pré-tratamento com ERA reduziu os danos causados pelo Diabetes induzido por estreptozotocina / Abstract: The food intake rich in bioactive compounds is associated with a reduced risk of chronic diseases. Different mechanisms are involved, especially through their antioxidant potential. The goal of this study was to determine the antioxidant activity and the concentrations of different bioactive compounds present in extracts of black and small red beans seed coats and to evaluate the antioxidant and antidiabetic properties of anthocyanin-rich extracts from black bean seed coats (ERA). Black and small red beans extracts were subjected to in vitro digestion and evaluated through analyzes of total phenolics, total flavonoids, condensed tannins, monomeric anthocyanins and antioxidant activity by two different methods. In ERA, anthocyanins have been identified and quantified by high performance liquid chromatography coupled to mass spectrometry. Monomeric anthocyanins, total phenolics and antioxidant activity through TEAC (Trolox Equivalent Antioxidant Capacity) and ORAC (Oxygen Radical Absorbance Capacity) assays were also assessed, before and after in vitro digestion. At the in vivo assay, the effect of ERA administration was investigated in rats with streptozotocin-induced diabetes. Wistar rats were distributed into 5 groups (normal control, normal treated with ERA, diabetic control, diabetic pre-treated with ERA and diabetic post-treated with ERA) and treated for 3 weeks. Blood glucose, body weight, liver and kidney enzyme profiles, pancreas and liver tissue histology were evaluated, as well as the antioxidant potential through analysis of catalase, glutathione reductase, and ORAC plasmatic assay. Black beans showed tenfold higher concentrations of anthocyanins than small red beans (0.83±0.04 e 0.08±0.01 mg cyanidin 3-glucoside equivalent/g). After in vitro digestion, anthocyanins could not be detected, and total phenols of black and small red beans have respective reductions of 75% and 52%. Condensed tannins decreased by 90% in both extracts. On the flavonoids analysis, while the concentration in small red beans remained unchanged, black beans showed a reduction of 21% in their concentration. Small red beans showed higher ABTS radical scavenging capacity than black beans, with respective 21.9±0.5 and 17.4±0.1 µM Trolox equivalents/g of bean. In vitro digestion did not affect the antioxidant activity of the analyzed extracts by this method. In the ORAC assay, both beans showed an increase in the antioxidant capacity, with 43.2% and 32.6% for black and small red beans, respectively. Delphinidin 3-glucoside, petunidin 3-glucoside and malvidin-3-glucoside were identified in ERA. Digestion triggered a decrease of 90% in monomeric anthocyanins concentration and of 45% in total phenolic contents. The TEAC assay antioxidant activity was reduced by 28% and the ORAC one by 35%. The in vivo assay showed protective effects of ERA only in the pre-treated group, with improvement of the glycemia levels and the weight gain. Also for the same group, pancreatic, hepatic and renal changes were less marked than in the others diabetics groups. ERA treatment subsequent to the induction of diabetes did not reduce the tissue damages, the biological alterations or improve the animals¿ general state. In this experimental model, pre-treatment with ERA reduced the damages caused by streptozotocin induced diabetes / Doutorado / Ciência de Alimentos / Doutora em Ciência de Alimentos

Orientadores: Glaucia Maria Pastore, Luciana Gomes Malta / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-27T06:04:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pavan_Veronica_M.pdf: 1806354 bytes, checksum: 1b5d278303881581f3b4c456b216d4a5 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Compostos com atividade antioxidante provenientes de frutas que estão envolvidos na prevenção de várias doenças degenerativas foram investigados em diversos estudos. Para melhorar o conhecimento do processo de absorção desses compostos com atividade antioxidante (AA), este estudo avaliou a AA de extratos de Artocarpus heterophillus (jaca) e Annona marcgravii (araticum) brutos, digerido gástrico, digerido intestinal e fermentação colônica, in vitro. Os compostos fenólicos foram avaliados a partir da quantificação de fenóis totais (FT), flavonoides totais (FLT), seguida da AA, medida por métodos como Trolox equivalent antioxidant capacity (TEAC) e Oxygen radical absorbance capacity (ORAC). Um importante fator que tem chamado atenção desta classe de compostos são os fenólicos que estão ligados a diferentes moléculas, como carboidratos, aminoácidos, dentre outros, que pelo seu peso molecular, tipo de ligação podem ser absorvidos ou mesmo metabolizados em diferentes regiões no sistema gastrintestinal. No extrato de araticum foi observada uma redução em FT após a digestão gástrica e subsequente aumento após a digestão intestinal, seguida de redução após a fermentação. Redução e aumento em FLT foram observados no extrato de jaca. A AA apresentou diferentes resultados para os métodos utilizados. Observou-se um aumento em TEAC para o extrato de jaca após o processo de digestão intestinal, diferente do extrato de araticum que apresentou aumento após a digestão gástrica e redução após a fermentação. Na avaliação pelo método ORAC observou-se um aumento do potencial no extrato de jaca após sofrer o processo de fermentação colônica. O extrato de araticum apresentou diferente comportamento quando comparado ao extrato de jaca, mostrando queda sucessiva na AA quando digerido e também após ser fermentado. Os carboidratos apresentaram um perfil interessante, no qual desvia do padrão estabelecido pela literatura mostrando uma redução após a digestão gástrica / Abstract: Compounds with antioxidant activity from fruits that are involved in the prevention of several degenerative diseases were investigated in several studies. To improve the knowledge of the process of absorption of these compounds with antioxidant activity (AA), this study evaluated the crude extracts of the Artocarpus heterophillus (jackfruit) and Annona marcgravii (araticum), gastric and intestinal digested and colonic fermentation in vitro. Phenolic compounds were evaluated from the quantification of total phenols (FT), total flavonoids (FLT), followed by AA, measured by method such as Trolox equivalent antioxidant capacity (TEAC) and Oxygen radical absorbance capacity (ORAC). An important factor which has been highlighted to this class of phenolic compounds are the phenolics which are attached to various molecules such as carbohydrates, amino acids, among others, that at molecular weight, type of linkage can be absorbed or metabolized in different regions of the gastrointestinal system. In the araticum extract was observed a decrease in FT after gastric digestion and afterwards an increase after intestinal digestion, followed by reduction after the fermentation. Reduction and increase in FLT were observed in jackfruit extract. The AA showed different results for the method used. There was an increase in TEAC for jackfruit extract after the process of intestinal digestion, unlike araticum extract which increased after gastric digestion and reduction after the fermentation. In assessing the ORAC method there was an increased in the potential of the jackfruit extract after suffering the colonic fermentation process. The araticum extract showed different behavior compared to jackfruit extract, showing successive reduction in AA when it was digested and also after being fermented. Carbohydrates showed an interesting profile, which deviates from the standard established in the literature showing a reduction after gastric digestion / Mestrado / Ciência de Alimentos / Mestra em Ciência de Alimentos

Orientador: Ariovaldo José da Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola / Made available in DSpace on 2018-08-27T23:32:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_DouglasBatistada_M.pdf: 2490257 bytes, checksum: 46f41b6961223169590146af18566274 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A crescente demanda por fontes de energia renováveis vem direcionando esforços e interesses por pesquisas focadas no desenvolvimento de biocombustíveis, a partir da digestão de resíduos provenientes de atividades agrícolas e agroindustriais. Neste contexto, a digestão anaeróbia pode ser direcionada para a produção e aproveitamento de subprodutos intermediários com alto valor agregado, como, por exemplo, etanol e butanol. O objetivo geral deste trabalho foi avaliar o desempenho de reatores anaeróbios de leito fixo e fluxo ascendente no tratamento de água residuária, visando à produção biológica de butanol e etanol a partir de uma cultura mista de micro-organismos selvagens. Foram utilizados dois reatores anaeróbios de leito fixo, com volume total de 3,77 litros. O primeiro reator foi mantido em condição acidogênica e o segundo em condição solventogênica. Os reatores foram operados em cinco diferentes etapas com tempo detenção hidráulica (TDH) de 2, 4 e 12 h e alimentados com água residuária sintética preparada para resultar em DQO em torno de 500 mg L-1, 1.000 mg L-1, 4.000 mg L-1 e 12.000 mg L-1, tendo como principal fonte de carbono sacarose. Além disso, foram avaliadas duas condições de temperaturas diferentes, ambiente (variando de 25ºC a 30ºC) e controlada (35ºC). Em cada etapa também foi avaliada a influência do efeito da recirculação do biogás no desempenho dos reatores, operando-os por um período de 30 dias sem recirculação de biogás e 30 dias com recirculação de biogás. Os resultados mostraram que a suplementação de bicarbonato de sódio no preparo do afluente auxiliou no aumento da capacidade de tamponamento do sistema e a recirculação de biogás favoreceu a estabilidade nos valores de pH durante todo o período experimental nessa condição. A variação crescente do tempo de detenção hidráulica (TDH) e da concentração de matéria orgânica (DQO) conduziu a um aumento na concentração de ácidos voláteis totais (AVT) e na concentração de produtos intermediários resultante da fermentação da sacarose. A concentração média de AVT variou de 89,3 mg L-1 da etapa I para 147,0 mg L-1 na etapa II, quando houve aumento do TDH e da DQO afluente. A variação da temperatura não influenciou a produção de AVT, na etapa III na qual a temperatura foi variável a concentração média de AVT detectada no efluente foi 546,0 mg L-1 e na etapa IV, com temperatura mantida em 35°C a concentração média de AVT no efluente foi 530,4 mg L-1. O melhor desempenho na produção de etanol foi verificado no reator solventogênico, com o pH em torno de 4,5, quando mantido com temperatura controlada a 35°C, TDH de 4 horas e taxa de carregamento orgânico (TCO) de 24 g DQO m-3d-1, sem recirculação de biogás. Nessa condição a concentração média de etanol detectada no efluente foi de 929,52 mg L-1. A produção de etanol não correspondeu ao aumento da TCO aplicado na etapa V, mantendo a concentração média de 993,35 mg L-1 na fase com recirculação de biogás. Butanol foi detectado em concentrações muito baixas, é provável que as condições de pH, tipo de reator e a estratégia de inoculação foram inadequadas para viabilizar a rota metabólica de produção de butanol / Abstract: The growing demand for renewable energy sources has been directing efforts and interests by research focused on the development of biofuels from waste digestion from agricultural and agro-industrial activities. In this respect, anaerobic digestion can be directed to the production and use of intermediates by-products with high added value such as, for example, ethanol and butanol. The aim of this study was to evaluate the performance of anaerobic fixed bed and upward flow in the treatment of wastewater, aiming to organic production of butanol and ethanol from a mixed culture of wild microorganisms. We used two anaerobic fixed bed, with a total volume of 3.77 liters. The first reactor was kept in acidogenic condition and the second in solventogenic condition. The reactors were operated in five different stages with hydraulic retention time (HRT) of 2, 4 and 12 h fed synthetic wastewater prepared to result in COD around 500 mg L-1, 1,000 mg L-1, 4,000 mg L -1 and 12,000 mg L-1, the main carbon source sucrose. In addition, we evaluated two different conditions of temperature, environment (ranging from 25 ° C to 30 ° C) and controlled (35 ° C). At each step was also evaluated the influence of the effect of recirculation of the biogas reactor performance, operating them for a period of 30 days without recirculation of the biogas and 30 days with biogas recirculation. The results show that supplementation of sodium bicarbonate in the preparation of the influent assisted in increased system capacity and buffering biogas recirculation favored stability in pH during the entire experimental period in this condition. The increasing variation of hydraulic retention time (HRT) and the concentration of organic matter (COD) led to an increase in the concentration of volatile fatty acids (VFA) and the concentration of intermediate products resulting from the fermentation of sucrose. The average concentration of AVT ranged from 89.3 mg L-1 from step I to 147.0 mg L-1 in step II, when an increase of the HDT and the influent COD. The variation in temperature did not affect the production of AVT in step III in which the temperature varied from the mean concentration in the effluent was detected AVT 546.0 mg L-1 and stage IV with temperature maintained at 35 ° C the concentration AVT average of the effluent was 530.4 mg L-1. The improved performance in ethanol production was observed in solventogênico reactor with pH around 4.5, when kept at a temperature controlled at 35 ° C for 4 hours and TDH organic loading rate (TCO) 24 g COD m-3d-1, without recirculating the biogas. In this condition average ethanol concentration was detected in the effluent 929.52 mg L-1. Ethanol production did not correspond to the increase in TCO applied to the V phase, keeping the average concentration of 993.35 mg L-1 in phase with biogas recirculation. Butanol was detected at very low concentrations, it is likely that the conditions of pH, type of reactor and inoculation strategy have been inadequate for enabling the metabolic pathway of butanol production. Keywords: anaerobic digestion, solventogenic, butanol and ethanol / Mestrado / Agua e Solo / Mestre em Engenharia Agrícola

Lipídeos contidos em resíduos de laticínios além de representarem uma perda industrial importante, interferem negativamente nos sistemas de tratamento de efluentes inibindo a atividade microbiana do consórcio (Mendes, 2005). O objetivo do presente trabalho foi estudar a degradação anaeróbia de gorduras do leite hidrolisadas com duas enzimas: lipase comercial de Candida rugosa (éster-inespecífica), e preparado enzimático de Geotrichum candidum (lipase éster-específica). Determinaram-se condições ótimas de hidrólise de gorduras do leite no tocante a tempo e temperatura de processo. Após esta etapa, determinou-se a produção metanogênica advinda da estabilização de esterco bovino combinado com gorduras de laticínios hidrolisadas e in natura. As condições ótimas de ação de lipase comercial de C. rugosa em gorduras do leite foram obtidas com temperatura de 40ºC e pH de 6,5. As condições ótimas de ação de preparado enzimático de G. candidum foram obtidas com temperatura de 40ºC e pH de 7,5. Os tempos de processo hidrolítico para a produção máxima de ácidos graxos foram de 8 horas e 16 horas quando se utilizaram preparado enzimático de G. candidum e solução de lipase comercial de C. rugosa respectivamente. As velocidades de processo, bem como os valores de biodegradabilidade anaeróbia, produção metanogênica específica e coeficiente de conversão (Yp/s) indicaram ser muito mais eficiente a utilização lipase de C. rugosa na hidrólise das gorduras do leite, quando o objetivo do processo é a produção de biogás. Além disso, o preparado enzimático de G. candidum ocasionou inibição da atividade metanogênica acetoclástica. Quando se realizou um estudo variando-se a concentração de gordura no tratamento enzimático, obteve-se a maior produção de ácido oléico quando se utilizaram 42 gramas de gordura por grama de enzima. Por outro lado, o melhor fator de conversão entre produto e substrato foi verificado quando a relação entre a massa de gordura e a massa de enzima foi igual a 6g/g. / Lipids in dairy waste as well as representing an important industrial loss, interfere negatively in wastewater treatment systems by inhibiting microbial activity of the consortium. The aim of this work was to study the anaerobic degradation of hydrolyzed milk fats using two enzymes: lipase from Candida rugosa, which is an ester unspecific enzyme; and other specific lipase obtained from Geotrichum candidum. Optimal conditions for hydrolysis of milk fat regarding pH, time and temperature were determined. After that, the methanogenic production from the stabilization of cattle manure combined with fats (hydrolyzed and in nature) was evaluated. The optimum conditions for the action of commercial C. rugosa lipase were obtained at 40ºC and pH 6.5. The optimum conditions for the action of G. candidum preparation were obtained at 40ºC and pH 7.5. Maximum product concentrations were obtained within 8 hours and 16 hours when preparation of G. candidum and C. rugosa lipase were used, respectively. The initial methanogenic production rate, the values of anaerobic biodegradation, the specific methanogenic production and the methane yield as well, showed that the use of C. rugosa lipase in the hydrolysis of fats is more efficient when the goal of the process is the production of biogas. The use of the enzymatic preparation of G. candidum did not cause any benefits, and in addition, caused bigger inhibition of acetoclastic methanogenic activity. When the initial concentration of substrate was varied for the enzymatic treatment, it was possible to verify higher oleic acid accumulated production when 42 grams of fat where used per gram of enzyme. On the other hand, the higher conversion factor between product and substrate was obtained when the relation between the mass of fat and the mass of enzyme was 6g/g.

Este trabalho consiste em um estudo detalhado do sistema digestivo de Phibalosoma phyllinum (Phasmida, Phasmatidae) num enfoque morfofuncional. Do ponto de vista anatômico, o seu sistema digestivo é constituído por um intestino anterior, um intestino médio e um intestino posterior. O intestino anterior é composto por uma cavidade bucal (onde se abre o ducto da glândula salivar bilobada), uma faringe, que se continua para o esôfago, terminando em um proventrículo, que forma uma válvula em seu interior. O intestino médio é formado por um ventrículo tubular, dividido em três regiões: ventrículo anterior (VA), ventrículo médio (VM) e ventrículo posterior (VP). Este último foi, ainda, subdividido em proximal (VPI) e distal (VPII). Na região do VPI, foi constatada a presença de estruturas denominadas de apêndices ventriculares, formadas por protuberâncias, que se inserem no tubo digestivo, e canalículos, que se projetam da região apical de cada uma delas e terminam em fundo cego. O intestino posterior é dividido em um íleo e um reto que termina no ânus. A análise histológica mostrou que o intestino anterior é formado por um epitélio simples, composto por células pavimentosas, revestido por uma cutícula, que se modifica na forma de pequenas espículas ao longo desta região. O proventriculo é composto por uma válvula muscular simples, que separa o intestino anterior e o intestino médio. Este último é formado por um epitélio simples, constituído por células do tipo colunar, chamadas de enterócitos, principais responsáveis pela secreção de enzimas digestivas e pela absorção dos nutrientes, por células regenerativas, que se apresentam reunidas em ninhos na base do epitélio, e por células endócrinas. Os apêndices ventriculares, por sua vez, possuem um epitélio simples e contínuo com o epitélio ventricular. As células das protuberâncias apresentam-se grandes e arredondadas, enquanto que os canalículos são compostos por um epitélio de células achatadas, semelhante ao dos túbulos de Malpighi. Na região de transição entre o epitélio ventricular e o intestino posterior se inserem os túbulos de Malpighi. O epitélio do intestino posterior é do tipo cúbico, simples, revestido por cutícula. A luz do intestino médio (ou ventrículo) é revestida por uma estrutura tubular, denominada de membrana peritrófica, cuja existência foi comprovada por microscopia de fluorescência com a utilização da técnica WGA-FITC (aglutinina do gérmen do trigo conjugada à fluoresceína). Com a finalidade de identificar regiões específicas do ventrículo onde ocorre a absorção ou secreção de água através do epitélio, foram realizados experimentos fisiológicos de ingestão e injeção do corante amaranto em solução. Verificou-se que, quando o corante é ingerido pelos insetos, o VA apresenta-se corado, tanto em animais em jejum quanto alimentados, indicando ser este o possível sítio de absorção de água no ventrículo. Por sua vez, a partir de experimentos com a injeção do mesmo corante na hemolinfa, foi constatada a sua tomada pelos túbulos de Malpighi, indicando serem estes os principais sítios de tomada de água da hemolinfa e de sua secreção para a luz do tubo digestivo. Tanto em animais em jejum, quanto alimentados, o corante injetado é encontrado na luz do intestino posterior. Entretanto, nos animais em jejum, o corante é capaz de se difundir, também, pelo ventrículo até a sua região anterior. A análise ultraestrutural do intestino médio revelou que a superfície apical dos enterócitos constituintes apresenta-se modificada na forma de microvilosidades. Nas membranas laterais, observam-se especializações juncionais na forma de desmossomos apicais, seguidos por junções septadas lisas. A membrana plasmática basal, por sua vez, exibe diversas invaginações, formando uma rede complexa de canais com mitocôndrias associadas. Nas células do VA e VM, essa rede exibe um número limitado de aberturas para a lâmina basal, o que indica um maior potencial de absorção de água pelo epitélio ventricular, a partir de sua luz. Nas células da região do VP, o número de aberturas é bem maior, o que sugere que pode ocorrer secreção de água e íons através desta região, não detectável nos experimentos com corantes. Por outro lado, as células regenerativas exibem características típicas de células indiferenciadas, com núcleo grande e poucas organelas. Células endócrinas, por sua vez, são, eventualmente, detectadas na base do epitélio, sem se prolongarem até a superfície apical do epitélio. Foi observado, ainda, que tanto os canalículos ventriculares, quanto os túbulos de Malpighi são formados por células achatadas, com microvilosidades apicais modificadas portando mitocôndrias em seu interior e membrana plasmática basal formando um labirinto complexo, com muitas aberturas para a lâmina basal e com muitas mitocôndrias associadas. Com relação a atividade secretora do epitélio ventricular, verifica-se a existência de grandes quantidades de retículo endoplasmático rugoso e diversas áreas de Golgi concentradas, principalmente, no citoplasma perinuclear. Nas regiões VA e VM, é detectado um grande número de vesículas secretoras, cujo mecanismo de secreção parece ser o merócrino. Ao longo de todo VP, por outro lado, vesículas secretoras estão, aparentemente, ausentes no citoplasma apical, mas pode ser constatada a presença de dilatações nas microvilosidades, algumas das quais apresentem pequenas vesículas em seu interior. Esta observação é sugestiva da ocorrência de secreção do tipo microapócrina nesta região. Devem ocorrer, portanto, dois mecanismos de secreção diferentes ao longo do ventrículo de P. phyllinum: o merócrino (no VA e no VM) e o microapócrino (no VP) O local de produção e secreção das enzimas amilase e tripsina pôde ser localizado através de experimentos de imunomarcação ultraestrutural com a utilização de anticorpos heterólogos. Ambas as enzimas foram detectadas na região do VA e do VM, podendo ser traçadas nas áreas de Golgi, nas vesículas secretoras e na luz do epitélio, junto às microvilosidades, seguindo, pois, a rota secretora. Ambas as enzimas foram identificadas no interior do mesmo tipo de vesículas de secreção, indicando que devem ser eliminadas conjuntamente através da mesma via secretora. Medidas de pH luminal revelaram grandes diferenças de pH ao longo do tubo digestivo nesta espécie. Enquanto que na região anterior o pH é mais ácido (5,3 no intestino anterior e 5,6 no VA), ele vai se tornando mais alcalino nas regiões mais posteriores do ventrículo (6,3 no VM anterior, 8,0 no VM posterior, 9,1 no VPI e 8,5 no VPII) e é neutro no intestino posterior (7,3). Foi determinado, ainda, o efeito do pH sobre a atividade das enzimas tripsina e amilase. A maior atividade para tripsina foi observada no pH 9,0. Já para amilase, a maior atividade foi observada em pH 5,0. No que diz respeito a atividade de enzimas digestivas, ficou evidente que a atividade de amilase e tripsina se concentra no conteúdo do intestino anterior e VA. / This work presents a detailed morphofunctional study of the digestive system of Phibalosoma phyllinum (Phasmida, Phasmatidae). From an anatomical point of view, the digestive system of this insect is formed by a foregut, a midgut and a hindgut. The foregut is composed by the buccal cavity (where the salivary gland\'s duct open), a pharynx and an aesophagus that ends in the proventriculus. The midgut consists of a tubular ventriculus and it can be divided in three regions: the anterior ventriculus (AV), the middle ventriculus (MV), and the posterior ventriculus (PV) which can be further subdivided in its proximal (PVI), and distal (PVII) sub-regions. The presence of a complex system of ventricular appendices was observed in the PVI sub-region, which are formed by protuberances, in the external ventricular surface, and by blind-ended canaliculi, which are connected to the protuberances. The hindgut is divided into an ileum and a rectum that ends in the anus. Seen by light microscopy, the foregut is made up by a simple epithelium, which is composed of squamous cells and covered by a cuticle layer. Through the whole foregut the cuticle forms spines. The proventriculus is formed by a simple muscular valve that separates the foregut from the midgut. The midgut itself is formed by a simple epithelium, which is made up of three different cell types: columnar cells (enterocytes), which are the main site of enzyme production and secretion, and nutrient absorption, the regenerative cells, which are clustered in nidi at the basal portion of the epithelium, and the endocrine cells. The ventricular appendices, in turn, are formed by a simple epithelium that is continuous with the ventricular epithelium. Cells from the protuberances are large showing a round shape, while canalicular cells are short, and very similar to the ones presented in the Malpighian tubules. In the transition between the midgut and the hindgut, several Malpighian tubes branch off. The hindgut is formed by a simple epithelium, lined by cuticle. The ventricular lumen is covered by a tubular structure called peritrophic membrane whose presence was confirmed by fluorescence microscopy, using chitin-binding lectin WGA (wheat germ agglutinin) coupled with FITC (fluorescein isothiocyanate). In order to identify specific ventricular regions where water absorption and secretion through the epithelium take place, physiological experiments, using amaranth dye solution were performed. This solution was either orally administered, or injected in the hemolinph of both fed and starved insects. These experiments revealed that, both in fed and starved animals, the AV is the main site of water absorption, whereas the Malpighian tubules are the main sites of water secretion into the ventricular lumen. Ultrastructural analysis showed that enterocytes present an apical surface modified into well-developed microvilli. In their lateral surface, the adjacent plasma membranes are linked by desmosomes and smooth septate junctions. The basal plasma membrane shows several infoldings, forming a labyrinth of channels with associated mitochondria. In the AV and MV, these infoldings present a limited number of openings to the basal lamina, which indicates a greater water absorption potential of these regions from the gut lumen. In the PV cells, the number of openings is greater, indicating that these regions may be involved in water secretion (although occurring in levels that are undetectable through dye experiments). Regenerative cells nidi, in turn, can be observed in the basal portion of the epithelium throughout the midgut. This cell type shows characteristics of undifferentiated cells, such as large nuclei and few organelles. Endocrine cells are confined to the basal portion of the epithelium. Both the ventricular canaliculi and the Malpighian tubules are made up by cuboidal cells with modified apical microvilli bearing mitochondria in their interior, and basal plasma membrane forming a labirinth with many well developed infolds and openings to the basal lamina, as well as many associated mitochondria. An intense secretory activity was observed along the entire midgut. Large amounts of rough endoplasmic reticulum, well developed Golgi areas were observed in the enterocytes. In the AV and MV a large number of secretory vesicles could be observed concentrated in the apical portion of the cells, and their contents are probably eliminated by a merocrine mechanism. Along the PV, secretory vesicles are apparently absent but microvilli display dilated tips frequently showing small vesicles in their interior. This observation may indicate the occurrence of a microapocrine secretory mechanism in this ventricular region. The enzymes amylase and trypsin were immunolocalized in the cells from the AV and MV. In these regions, the two enzymes were detected in Golgi areas, secretory vesicles and in the the ventricular lumen, between the microvilli. Thus, both enzymes seem to be produced and eliminated through the same secretory pathway. Luminal pH measurements revealed a great variation of the pH along the intestine of this species. While in its anterior region the pH is acid (5,3 in the foregut and 5,6 in the AV), it becomes gradually alkaline towards the posterior regions (6,3 in the anterior MV, 8,0 in the posterior MV, 9,1 in the PVI and 8,5 in the PVII); in the hindgut the pH is neutral (7,3). The effect of the pH on amylase and trypsin activities was also measured. It was determined that trypsin\'s optimal pH was 9,0, and amylase\'s optimal pH was 5,0. Biochemical assays of digestive enzymes revealed the presence of amylase and trypsin in the luminal contents, mainly in the foregut and AV. In spite of that, it is possible that trypsin\'s activity is greater in the MV and PV, where the alkaline luminal pH matches the optimal pH for this enzyme. Chymotrypsin is also present in the lumen of the foregut and AV, but, unlike amylase and trypsin, its major activity is found in the AV. Aminopeptidase is found in the ventricular epithelium, mainly in the MV and PV, and maltase is detected associated with the microvillar glicocalix in the AV and PV regions. The hindgut showed low levels of digestive enzyme excretion, both in fed and starved animals, suggesting that these enzymes are recovered during the digestive process. Thus, these results point to the occurrence of an endo-ectoperitrophic circulation of digestive enzymes in both fed and starved animals, in which the AV is the main absorption site of water and the Malpighian tubules, the main secretion site. Initial carbohydrates digestion should occur in the foregut and in the AV, in the endoperitrophic space, whereas its final digestion should take place in the epithelial surface. Protein digestion should take place in the MV and in the PV; initial digestion should occur in the luminal endoperitrophic space, whereas final digestion takes place in the epithelial surface of these regions. Carbonic anhydrase assays revealed a high activity of this enzyme in the ventricular appendices. This fact, along with the morphological similarity between ventricular canaliculi and Malpighian tubules suggest that the canaliculi and the Malpighian tubules are homologous structures. Along the evolutionary process, the canaliculi probably acquired the capability to promote the alkalization of the PV lumen (mainly in the PVI region) thus affecting the digestive process

β-1,3-glucanases são enzimas encontradas em muitos organismos, como fungos, bactéria e plantas. Suas funções incluem remodelamento de parede celular, defesa e digestão. É um alvo interessante para o controle populacional de insetos-praga, porque é ausente em vertebrados. Em insetos, é encontrada no intestino de muitas ordens diferentes, e hidrolizam β-1,3 ou β-1,3(4)-glucanas ingeridas, mas pouco se sabe sobre as propriedades e a função dessas enzimas. Nós estudamos três espécies de insetos, de três ordens diferentes. Spodoptera frugiperda (Lepidoptera), Tenebrio molitor (Coleoptera) e Abracris flavolineata (Orthoptera) são insetos herbívoros e pestes de plantações, mas suas beta-1,3-glucanases diferem significativamente. A β- 1,3-glucanase de S. frugiperda (SLAM) foi purificada do intestino médio da larva. Ela apresenta uma massa molecular de 37,5 kDa, um pH ótimo alcalino de 9,0, é ativa contra β-1,3-glucana (laminarina), mas é incapaz de hidrolizar β-1,3-1,6-glucana de levedura ou outros polisacarídeos. SLAM é não-processiva (0,4), e não é inibida por altas concentrações de substrato. Diferente de outras β-1,3-glucanases digestivas de insetos, SLAM é incapaz de lisar células de Saccharomyces cerevisae. O cDNA correspondente à SLAM foi clonado e sequenciado, demonstrando que a proteína pertence à família 16 das Glicosídeo-Hidrolases. A modelagem tridimensional de SLAM, feito com base em homologia de sequência, sugere que o resíduo E228 possa afetar a ionização dos resíduos catalíticos, causando o deslocamento do pH ótimo da enzima. Anti-corpos específicos para SLAM foram produzidos, e estes reagem com uma única proteína oriunda do intestino médio da larva, responsável pela atividade β-1,3- glucanásica majoritária. A imunocitolocalização de SLAM demonstra que a enzima é encontrada em vesículas secretórias e no glicocálix das células colunares, e portanto não é originária de simbiontes. Nós clonamos e sequenciamos o cDNA correspondente à β-1,3-glucanase majoritária presente no intestino médio da larva de T. molitor (TLAM). Ela pertence à família 16 das Glicosídeo-Hidrolases e está relacionada com proteínas ligantes de β -glucanas, da mesma forma que a enzima de S. frugiperda. A modelagem tridimensional por homologia de sequência permitiu identificar alguns resíduos de amino-ácidos (E174, E179, H204, Y304, R127 e R2181) no sítio ativo da enzima, que podem ser importantes para a atividade de TLAM. A β-1,3-glucanase digestiva do gafanhoto Abracris flavolineata (Orthoptera) é diferente das enzimas já estudadas em insetos. Ela apresenta uma estratégia catalítica processiva, liberando glicose como maior parte dos produtos, e é inibida por altas concentrações de substrato. Para estudar as bases estruturais desse mecanismo, nós procuramos obter a sequência de cDNA correspondente à enzima já caracterizada. O alinhamento múltiplo das β-1,3- glucanases de insetos e proteínas ligantes de beta-glucanas indicou que uma duplicação gênica da enzima do ancestral comum de moluscos e artrópodes. Uma cópia originou as beta-1,3-glucanase de insetos, perdendo uma região N-Terminal com cerca de 100 pares de bases, enquanto a outra cópia originou as proteínas ligantes de beta-glucana, perdendo os resíduos catalíticos. / β-1,3-glucanases are widespread enzymes, found in all major groups of invertebrates, fungi, bacteria and plants. Since this enzyme is absent in vertebrates, it constitutes an interesting target for control of insect pests population. Its functions range from cell wall remodeling, defense and digestion. In insects, it is found in the gut of many different orders, hydrolyzing β-1,3 or β-1,3(4)-glucanas, but little is known about the properties and function of these enzymes. We studied three insect species each pertaining to a different order. Spodoptera frugiperda (Lepidoptera), Tenebrio molitor (Coleoptera) and Abracris flavolineata are herbivores and crops pests, but their β-1,3- glucanases differ significantly. S. frugiperda β -1,3-glucanase (SLAM) was purified from the larval midgut. It has a molecular mass of 37.5 kDa, an alkaline optimum pH of 9.0, is active against β-1,3-glucan (laminarin), but cannot hydrolyze yeast β-1,3-1,6-glucan or other polysaccharides. The enzyme is an endoglucanase with low processivity (0.4), and is not inhibited by high concentrations of substrate. In contrast to other digestive β-1,3- glucanases from insects, SLAM is unable to lyse Saccharomyces cerevisae cells. The cDNA encoding SLAM was cloned and sequenced, showing that the protein belongs to glycosyl hydrolase family 16 as other insect glucanases and glucan-binding proteins. SLAM homology modeling suggests that E228 may affect the ionization of the catalytic residues, thus displacing the enzyme pH optimum. SLAM antiserum reacts with a single protein in the insect midgut. Immunocytolocalization reveals the presence of the enzyme in secretory vesicles and glycocalyx from columnar cells. We cloned and sequenced the cDNA of T. molitor β-1,3-glucanase. It belongs to glycoside hydrolase family 16, and is related to other insect glucanases and glucan-binding proteins. Sequence analysis and homology modeling allowed the identification of some residues (E174, E179, H204, Y304, R127 and R181) at the active site of the enzyme, which may be important for TLAM activity. The grasshopper A. flavolineata has a β-1,3-glucanase with a processive catalytic strategy. To study the structural basis of this property, we aimed to obtain its encoding sequence to better understand this catalytic mechanism. Multiple sequence alignment of insects β-1,3-glucanases and β-glucan-binding protein indicates that the β- 1,3-glucanase gene duplicated in the ancestor of mollusks and arthropods. One copy originated the insect β-1,3-glucanases after losing a 100 bp N-terminal portion and the arthropode β-glucan-binding proteins by the loss of the catalytic residues.

Spiders and scorpions are efficient predators arachnid (PA) consuming preys larger than themselves. Few studies reported, molecularly, the digestion in PA. This work describes a biochemical, transcriptomic and proteomic analysis of the midgut and midgut glands (MMG) and digestive juice (DJ) from Nephilengys cruentata and Tityus serrulatus MMG. Cathepsin L, B, D and F, legumain, trypsin, astacin, carbohydrases and lipases were identified by these approaches. Peptide isomerase and ctenitoxins, which are venom proteins were identified, showing a correlation among digestive and venom enzymes. Summarily, PA relies in multi peptidase system mainly constituted of astacins for extracellular prey liquefaction and cathepsin L for intracellular digestion, describing a molecular model for digestion. Probably, during evolution, gene duplication led a diversification of astacins in the derived groups of Arachnida, like spiders, distinctly from what is observed in basal groups like scorpions. These data on Arachnida digestion will allow detailed multi disciplinary studies. / Aranhas e escorpiões são aracnídeos predadores eficientes (AP) consumindo presas maiores que eles mesmos. Poucos estudos descrevem molecularmente a digestão em AP. Neste trabalho caracterizamos bioquimicamente, por transcriptoma e proteoma o intestino e glândulas digestivas (IGD) e suco digestivo (SD) de Nephilengys cruentata e o IGD de Tityus serrulatus. Catepsinas L, B, D e F, legumaína, tripsinas, astacinas, carboidrases e lipases foram identificadas. Peptídeo isomerase e ctenitoxina foram identificadas no IGD. Estas proteínas podem indicar uma correlação entre enzimas digestivas e do veneno. Portanto, AP apresentam várias peptidases principalmente astacinas para liquefazer a presa extraoralmente e catepsinas L para digestão intracelular, descrevendo um modelo molecular para a digestão. Provavelmente, durante a evolução, eventos duplicação gênica levaram à diversificação das astacinas aracnídeos derivados, como as aranhas, diferentemente dos grupos basais, como os escorpiões. Estes dados sobre a digestão em Arachnida permitirão estudos multidisciplinares.