I takt med att städerna växer ökar belastningen på de kommunala avloppsreningsverken. Käppalaförbundet förutspår att antalet anslutna personekvivalenter till Käppalaverket kommer att öka med över 160 % under de kommande tre decennierna. En ökad belastning leder till en större mängd slam som måste behandlas. Detta görs idag med stabilisering genom mesofil rötning samt efterföljande avvattning och hygienisering. Samtidigt finns ett behov av hållbara energikällor i samhället, dit avloppsreningsverken bidrar genom tillhandahålla energirik biogas som biprodukt från rötningen.  Utrötningsgraden är beroende av slammets uppehållstid i rötkammaren och uppehållstiden kommer att bli kortare i takt med att belastningen ökar. Termofil rötning har identifierats som ett möjligt alternativ till inköp av ytterligare rötkammarvolym då metoden har rapporterats ge en snabbare stabilisering och därmed ett likvärdig resultat med kortare uppehållstid. Dessutom finns indikationer för att termofil rötning kan producera en större mängd biogas per enhet organiskt material i jämförelse med mesofil rötning. För att utreda huruvida Käppalaförbundet kan åtnjuta dessa fördelar har ett termofilt rötningsförsök bedrivits i pilotskala.  Pilotanläggningen bestod av en 5 m³ rötkammare som matades semikontinuerligt med 65 mass% primärslam och 35 mass% överskottsslam. Försöket inleddes med en temperaturövergång från en mesofil ymp till termofila betingelser, följt av att processen tilläts acklimatisera. Processen drevs därefter under tre uppehållstider med en längd på 18 dygn vardera. Samtliga driftparametrar härleddes i den mån det var möjligt från fullskalig slambehandling på Käppalaverket. De experimentella resultaten jämfördes med simuleringsresultat baserade på den matematiska modellen Anaerobic Digestion Model No. 1. Temperaturövergången och acklimatiseringen utfördes med framgång. Vid referensbelastningen var utrötningsgraden 54.4 % och den specifika metanproduktionen var 0.221 Nm3 CH4/kgVS, vilket var otillräckligt för att överträffa den mesofila, fullskaliga processen. Försöket indikerade att proteiner bryts ned lättare i en termofil process. Vidare observerades avtagande processtabilitet och försämrade avvattningsegenskaper hos rötresten. / As cities grow, the load on the municipal wastewater treatment plants increases. The Käppala Association predicts that the number of population equivalents connected to the Käppala Wastewater Treatment Plant will increase by over 160 % in the coming three decades. An increased load leads to a larger amount of sludge that must be treated. This is done today with stabilization through mesophilic anaerobic digestion and subsequent dewatering and hygienization. At the same time, there is a need for sustainable energy sources in society, to which wastewater treatment plants contribute by providing energy-rich biogas as a by-product from the anaerobic digestion. The degree of digestion is dependent on the retention time of the sludge in the digester and the retention time will become shorter as the load increases. Thermophilic anaerobic digestion has been identified as a possible alternative to the investment of additional digester volume as the method has been reported to provide a faster stabilization and thus an equivalent result with a shorter retention time. In addition, there are indications that thermophilic anaerobic digestion is able to produce a larger amount of biogas per unit of organic material in comparison with mesophilic anaerobic digestion. To evaluate whether the Käppala Association can enjoy these benefits, a thermophilic anaerobic digestion experiment has been conducted on a pilot scale. The pilot plant included a 5 m³ digester which was fed semi-continuously with 65 mass% primary sludge and 35 mass% waste activated sludge. The experiment began with a temperature transition from a mesophilic inoculum to thermophilic conditions, followed by allowing the process to acclimatize. The process was operated thereafter for three retention times with a length of 18 days each. All process parameters were derived as far as possible from the full-scale sludge treatment at Käppala Wastewater Treatment Plant. The experimental results were compared with simulation results based on the mathematical model Anaerobic Digestion Model No. 1. The temperature transition and acclimatization was performed successfully. At reference load, the degree of digestion was 54.4 % and specific methane production was 0.221 Nm3 CH4/kgVS, which was not enough to overcome the mesophilic full-scale process. Indications pointed towards proteins being more easily digested in a thermophilic process. Furthermore, deteriorating process stability and dewaterability of the digestate was observed.

A digestão anaeróbia tem se apresentado como um processo de grande interesse sob a ótica da potencial produção de energia renovável (H2 e CH4), considerando-se a ampla variedade de compostos orgânicos que podem ser utilizados. Neste estudo desejou-se avançar na compreensão do sistema de reatores anaeróbios de duas fases (acidogênico seguido de metanogênico) operados em condições termofílicas (55°C), alimentados com melaço da cana-de-açúcar, subproduto da indústria sucroalcooleira. Os experimentos foram conduzidos em reatores anaeróbios de leito fixo estruturado com fluxo ascendente e o melaço foi diluído com água de abastecimento, para adequação da concentração aos processos de tratamento de águas residuárias. Na 1ª Etapa dois reatores acidogênicos foram operados em paralelo para avaliar diferentes formas de inoculação e meios suportes, a fim de manter a produção continua e estável de hidrogênio. Para isso foram aplicadas diferentes cargas orgânicas (2,5, 5 e 10 gDQO.L-1) que resultam em COV de 30, 60 e 120 g.DQO.Lreator1.dia-1, com TDH fixo de 2 horas. A expressão do gene hidrogenase foi detectado em ambos os reatores, mas em maior proporção no reator inoculado com lodo de reator UASB e usando como material suporte a espuma de poliuretano. Sequencialmente a este reator, foi acoplado um reator metanogênico, alimentado com efluente do reator acidogênico, estabilizado nas condições apresentadas, e operado com COV crescentes de 1, 2, 5, 7, 14, 17 e 26,5 gDQO.Lreator-1.dia-1 e consequente diminuição do TDH de 240, 96, 48, 32, 24, 16 e 12 horas. O reator acidogênico na 2ª etapa foi operado por 417 dias consecutivos e COV de 120 g.DQO.Lreator1.dia-1, produzindo hidrogênio continuamente, alcançado valores de produção bruta de H2 de 7,60 LH2.dia-1. O reator metanogênico foi operado por 251 dias consecutivos, produzindo metano e alcançado valores de produção bruta de CH4 de 5,90 LCH4.dia-1. A eficiência de remoção de DQO do sistema de reatores foi de aproximadamente 90%, com contribuição aproximadamente de 10% para o reator acidogênico e contribuição aproximadamente de 80% para o reator metanogênico. O reator acidogênico alcançou rendimento de produção de hidrogênio por kg de melaço aplicado de 392 LH2.kgmelaço-1 e o reator metanogênico de 387 LCH4.kgmelaço-1. Para finalidade de comparações e aplicabilidade, o ganho energético global do sistema de reatores de duas fases foi de aproximadamente 5,7 kWh.kgmelaço-1 (1,4 kWh.kgmelaço-1 para o reator acidogênico e 4,3 kWh.kgmelaço-1 para o reator metanogênico). A produção continua de H2 obtida neste estudo está relacionada à associação das vias dos ácidos produtores de hidrogênio já consolidados pela literatura pertinente (acético e butírico) e pela produção de hidrogênio pela rota do ácido lático, devido a associação entre as comunidades de microrganismos estabelecidas no reator. O sequenciamento massivo MiSeq mostrou a seleção de diversos gêneros de microrganismos com redundância funcional e pertencentes principalmente aos Filos Firmicutes, Proteobacteria e Thermotogae, tais como Clostridium sensu stricto, Thermohydrogenium, Thermoanaerobacterium e Cellulosibacter (Firmicutes); Pseudomonas, Enterobacter, Shewanella e Petrobacter (Proteobacteria) e Fervidobacterium (Thermotogae). Microrganismos produtores de ácido lático também foram selecionados tais como: Lactobacillus, Leuconostoc, Sporolactobacillus e Trichococcus. Dos pontos de vista científico e tecnológico este estudo deu mais um passo para a compreensão dos bioprocessos envolvidos nos sistemas anaeróbios em dois estágios produzindo H2 e CH4 continuamente por longo período de tempo. / Anaerobic digestion has shown as an interesting process for renewable energy production (H2 and CH4), for a wide variety of organic compounds (carbon source). This study aimed to advance the understanding of a two-stage process anaerobic system (acidogenic bioreactor followed by methanogenic bioreactor) under thermophilic condition (55°C) fed with molasses, a sugarcane industry by-product. The experiments were conducted at up-flow structured bed reactors and sugarcane molasses was diluted with tap water, to adjust the concentration to the wastewater treatment. At first stage two acidogenic reactors were operated in parallel to evaluate different source of inocula and support bed, to obtain continuous and stable hydrogen production. It was applied 2.5, 5 and 10 gCOD.L-1 resulting in OLR of 30, 60 and 120 g.COD.Lreactor-1.day-1, with HRT fixed at 2 hours of hydrogenase gene was detected in both reactors but with higher number of copies of the gene in the reactor that showed higher hydrogen production: the reactor sed with sludge of UASB reactor and using polyurethane foam as support material. To this reactor was coupled a methanogenic reactor fed with effluent from acidogenic reactor and operated with increasing OLR (1, 2, 5, 7, 14, 17 e 26,5 gCOD.Lreactor-1.day-1) decreasing the HRT (240, 96, 48, 32, 24, 16 and 12 hours). The acidogenic reactor was operated during 471 days with OLR of 120 g.COD.Lreactor-1.day-1, with HRT fixed at 2 hours, with continuous hydrogen production with a gross production of 7.60 LH2.day-1. The methanogenic reactor was operated for 251 days, with continuous methane production of up to 5.90LCH4.day-1. The COD removal efficiency using the two-stage system was approximately 90% , with 10% contribution by the acidogenic reactor and 80% contribution by the methanogenic reactor. The acidogenic reactor achieved hydrogen yield per kg of applied molasses equal to 392 LH2.kgmolases-1. The methanogenic reactor achieved methane yield per kg of applied molasses equal to 387 LCH4.kgmolasses-1. For comparison and applicability purposes, the overall energy yield using the two stage reactor system was approximately 5.7 kWh.kgmolasses-1 (Acidogenic reactor 1.4 kWh.kgmolasses-1 and Methanogenic reactor 4.3 kWh.kgmolasses-1). The continuous production of H2 obtained in this study is related to the association of the hydrogen producer acids pathway established by the relevant literature (acetic and butyric) and the hydrogen production by the lactic acid pathway due to the microorganisms association established in the reactor. Metagenomic analysis by MiSeq Plataform revealed that hydrogen production was due the selection of microorganisms with functional redundancy mainly of Phyla Firmicutes, Proteobacteria and Thermotogae, such as Clostridium sensu stricto, Thermohydrogenium, Thermoanaerobacterium, Cellulosibacter (Firmicutes); Pseudomonas, Enterobacter, Shewanella and Petrobacter (Proteobacteria) and Fervidobacterium (Thermotogae). Genera of acid latic producers, such as Lactobacillus, Leuconostoc, Sporolactobacillus and Trichococcus, were also selected. From the scientific and technological point of view this study has taken another step towards the understanding of bioprocesses involving two stage anaerobic systems for a long term continuous production of H2 and CH4.

O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar, e entre os principais subprodutos dessa indústria está o melaço de cana-de-açúcar. Esse substrato é rico em carboidratos, apresentando potencial para ser utilizado na digestão anaeróbia para geração de biogás. Neste estudo, priorizou-se a produção de biogás em condições termofílicas (55°C) com a finalidade de comparação do sistema de duas fases (reator acidogênico seguido de reator metanogênico) e sistema de fase única (acidogênico e metanogênico em uma mesma unidade), utilizando o melaço como substrato. O sistema de duas fases baseou-se na separação da acidogênese e metanogênese. O reator acidogênico (ASTBR – A) foi operado com carga orgânica volumétrica (COV) de 60,0 g L-1d-1 e tempo de detenção hidráulico (TDH) de 4 horas. O reator metanogênico, sequencial ao acidogênico (ASTBR – M II) foi operado em dez fases, com COV variando de 0,6 a 10,0 g L-1d-1 e TDH de 40 e 24 horas. O sistema de fase única foi composto por um reator metanogênico (ASTBR – M I) operado em nove fases com COV entre 2,5 e 10,0 g L-1d-1 e TDH de 28 h. Bicarbonato de sódio (NaHCO3) foi adicionado na proporção de 1,00 g NaHCO3 g-1DQO para todas as fases do ASTBR M II. Para o ASTBR – M I, variou-se a concentração de 1,00 a 0,00 g NaHCO3 g-1 DQO no reator. Para o ASTBR A a porcentagem de hidrogênio (H2) no biogás foi de 51%, a produção volumétrica de hidrogênio (PVH) de 88,0 mL H2 L-1 h-1 e o rendimento de hidrogênio (HY) de 1,18 mol H2 molcarboidratos-1. O microrganismo predominante nesse reator foi o Thermoanaerobacterium, e a principal rota a do ácido lático. O reator ASTBR – M I sofreu acidificação após a retirada completa de alcalinizante, permitindo a detecção de H2 no biogás. Porém, a retomada da adição de NaHCO3 favoreceu o crescimento das arqueias, principalmente metanogênicas hidrogenotróficas. A comparação dos reatores metanogênicos foi realizada para fases com condições semelhantes (COV de 10 g L-1d-1 e 1,00 g NaHCO3 g-1DQO) e permitiu verificar melhor desempenho na produção de CH4 do ASTBR – M II. Em relação ao MY, a eficiência do ASTBR – M II foi 44% superior ao ASTBR M – I. / Brazil is the largest producer of sugarcane and one of the main sub-products of this industry is the molasses, which is rich in carbohydrates and can be used as a substrate for biogas production in anaerobic digestion. In this study, biogas production was evaluated under thermophilic conditions (55 °C) in a two-phases system (acidogenic reactor followed by methanogenic reactor) based on phase separation and a single-phase system (acidogenic and methanogenic microorganisms in a single unit) using molasses as the substrate. The acidogenic reactor (ASTBR-A) was operated under the organic loading rate (OLR) of 60.0 g L-1d-1 and hydraulic retention time (HRT) of 4 hours. The methanogenic reactor (ASTBR M II), which was sequential to acidogenic one, was operated in ten phases with OLR ranging from 0.6 to 10.0 g L-1d-1 and HRT of 40 and 24 hours. The single-phase reactor was composed of a methanogenic reactor (ASTBR -– M I) operated in nine phases with increasing OLR from 2.5 to 10.0 g L-1d-1 and HRT of 28 hours. Sodium bicarbonate (NaHCO3) was added in the ratio of 1.00 g NaHCO3 g-1COD in all phases of ASTBR – M II. For the ASTBR – M I, the concentration varied between 1.00 to 0.00 g NaHCO3 g-1COD. In the ASTBR – A, the percentage of hydrogen (H2) in the biogas was 51%, the volumetric hydrogen production (VHP) was 88.0 mL H2 L-1 h-1 and the hydrogen yield (HY) was 1.18 mol H2 molar-1carbohydrate. The predominant microorganism in this reactor was the Thermoanaerobacterium and the main metabolite route was the lactic acid. The ASTBR – M I suffered acidification after the complete removal of the alkalinizer allowing the detection of hydrogen in the biogas. However, the use of the alkalinizer after its complete removal from the system favored the growth of Archaeas, mainly the hydrogenotrophic methanogens. The comparison of the methanogenic reactors was carried out for phases with similar conditions (OLR of 10 g L-1d-1 and 1.00 g NaHCO3 g-1COD) and allowed to verify a better performance in the methane (CH4) production in the ASTBR – M II. Regarding the methane yield (MY), the efficiency of ASTBR – M II was 44% higher than ASTBR M – I.

Neste trabalho avaliou-se a produção de compostos de interesse biotecnológico potenciais vetores energéticos a partir de papel em lisímetros (20L), usando-se consórcio microbiano enriquecido do fluido de rúmen. Para tanto, foi realizado um delineamento composto central (DCC) para verificar a influência de três variáveis independentes na conversão de papel sulfite a hidrogênio e outros compostos orgânicos em lisímetro de bancada. As variáveis testadas foram massa de papel (X1: 500g, 750g e 1000g), teor de umidade papel (X2: 50%, 65% e 80%), e temperatura (X3:35°C, 45°C e 55°C). As respostas avaliadas no DCC foram produção de hidrogênio (Y1; mmol), ácido acético (Y2; mg/L), etanol (Y3; mg/L) e metanol (Y4; mg/L). Para o monitoramento dos lisímetros em relação à hidrólise e fermentação do papel, foram analisados biogás (H2, N2, CO2 e CH4) e a concentração de compostos no percolado, como açúcares totais, demanda química de oxigênio (DQO), ácidos orgânicos voláteis (AOVs) e álcoois. Além disso, monitorou-se o pH, alcalinidade e sólidos totais. Sequenciamento massivo do gene RNAr 16S via Plataforma Illumina foi usado para identificação dos micro-organismos do fluido de rúmen in natura, do consórcio enriquecido, e daqueles dos lisímetros R2, R5 e R9. Produção de hidrogênio só foi observada nos lisímetros R1 (25 mmol), R2 (35 mmol) e R5 (3 mmol), sendo os três com umidade inicial de 80%. Em R1 e R2, observou-se elevadas concentrações de ácido acético, de 21.500 e 17.000 mg/L, respectivamente, provavelmente devido à ocorrência de homoacetogênese. Sob temperatura termofílica, especialmente em R5, observou-se consumo de hidrogênio, e produção de etanol (2.300 mg/L) e metanol (5.600 mg/L). Na condição de 80% de umidade (R1, R2, R5, R6), verificou-se maiores percentuais de remoção de papel e atividade fermentativa mais acentuada, ao passo que abaixo de 80%, o desenvolvimento microbiano foi desfavorecido, independente da temperatura. Verificou-se consumo muito reduzido de papel e baixas concentrações de AOVs e álcoois para R3, R4, R7 e R8, todos com 50% umidade. Em R9 e R10, operados a 45 °C e 65% de umidade, também verificou-se produção atenuada de AOVs e álcoois, com ausência de hidrogênio. Por meio do DCC, observou-se efeito estatisticamente significativo da umidade do papel na produção de hidrogênio, ácido acético e etanol. Em relação à temperatura, verificou-se efeito positivo estatisticamente significativo na produção de hidrogênio e ácido acético. Por fim, para a massa de papel não se verificou nenhum efeito sobre as respostas analisadas. Os gêneros de bactérias mais abundantes foram: Prevotella no fluido de rúmen in natura (F.N.) Dysgonomonas no fluido de rúmen enriquecido e em R2 (35°C), Thermicanus em R5 (55°C) e Phaeospirillum em R9 (45ºC). A umidade foi o parâmetro mais determinante para promover a hidrólise e fermentação do papel; a temperatura foi a principal variável de influência na estrutura das comunidades microbianas dos lisímetros, confirmada pelas diferentes rotas metabólicas observadas sob temperatura mesofílica e termofílica; e os rendimentos de produção dos compostos não foram influenciados pela massa de papel adicionada aos lisímetros. / This study evaluated the production of compounds of biotechnological interest and potential energy vectors from office paper in lysimeters (20L), using a microbial consortium purified from rumen fluid. A central composite design (CCD) was performed to verify the influence of three independent variables on paper conversion to hydrogen and other organic compounds in bench lysimeter. The tested variables were: mass of paper (x1: 500g, 750g and 1000g), moisture content (x2: 50%, 65% and 80%), and incubation temperature (x3: 35°C, 45°C and 55°C). The dependent variables of CCD were production of hydrogen (Y1: mmol), acetic acid (Y2: mg/L), ethanol (Y3:mg/L) and metanol (Y4:mg/L). For monitoring the lysimeters in relation to paper hydrolysis and fermentation, analyses of biogas (H2, N2, CO2 and CH4) and the organic compounds' concentrations in the leachate, such as, total sugars, chemical oxygem demand, volatile organic acids (VOA's) and alcohols were conducted during operation. Alcalinity, pH and total solids content of the leachate were also monitored. Massive sequencing of rRNA 16S (Illumina) was carried out for identification of the microorganisms of the in natura rumen fluid, the purified consortium, and those collected from lysimeters R2, R5 and R9. Hydrogen production was detected only in lysimeters R1 (25 mmol), R2 (35 mmol) and R5 (3 mmol), all of them operated with 80% of moisture content. In R1 and R2, high concentrations of acetic acid, of 21.500 and 17.000, respectively, were due to the likely occurrence of homoacetogenesis. Under thermophilic temperature, especially R5, the hydrogen production was detected in low quantity, and the highlight was the production of ethanol and methanol, with concentrations around 2.300 and 5.600 mg/L, respectively. At 80% moisture condition (R1, R2, R5, R6), high percentages of paper removal and sharp fermentative activity were observed. However, at lower moisture conditions, the microbial growth was unfavored, independent of the temperature. Low paper consumption and reduced concentrations of OVA's and alcohols were detected in R3, R4, R7 and R8, all of them operated with 50% of moisture content. In R9 and R10, operated at 45°C and 65% of moisture, there was also attenuated production of VOA\'s and alcohols, with absence of hydrogen. According to CCD statistical analysis, paper moisture content had positive effect statistically significative on hydrogen, acetic acid and etanol production. The temperature had positive effect on hydrogen and acetic acid production. And the mass of paper dit not have effect statistically significative for any dependent variables. The most abundant bacterial genus was: Prevotella in the in natura rumen fluid (F.N.) Dysgonomonas in the purified consortium and R2 (35 oC), Thermicanus in R5 (55°C) and Phaeospirillum in R9 (45° C). In conclusion, moisture content was the main parameter to promote paper hydrolysis and fermentation; temperature was the principal variable that influenced the structure of microbial community, confirmed by the different metabolic route observed under mesophilic and thermophilic conditions; and the production yields of the compounds were not influenced by the mass of paper added to the lysimeters.

O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar, e entre os principais subprodutos dessa indústria está o melaço de cana-de-açúcar. Esse substrato é rico em carboidratos, apresentando potencial para ser utilizado na digestão anaeróbia para geração de biogás. Neste estudo, priorizou-se a produção de biogás em condições termofílicas (55°C) com a finalidade de comparação do sistema de duas fases (reator acidogênico seguido de reator metanogênico) e sistema de fase única (acidogênico e metanogênico em uma mesma unidade), utilizando o melaço como substrato. O sistema de duas fases baseou-se na separação da acidogênese e metanogênese. O reator acidogênico (ASTBR – A) foi operado com carga orgânica volumétrica (COV) de 60,0 g L-1d-1 e tempo de detenção hidráulico (TDH) de 4 horas. O reator metanogênico, sequencial ao acidogênico (ASTBR – M II) foi operado em dez fases, com COV variando de 0,6 a 10,0 g L-1d-1 e TDH de 40 e 24 horas. O sistema de fase única foi composto por um reator metanogênico (ASTBR – M I) operado em nove fases com COV entre 2,5 e 10,0 g L-1d-1 e TDH de 28 h. Bicarbonato de sódio (NaHCO3) foi adicionado na proporção de 1,00 g NaHCO3 g-1DQO para todas as fases do ASTBR M II. Para o ASTBR – M I, variou-se a concentração de 1,00 a 0,00 g NaHCO3 g-1 DQO no reator. Para o ASTBR A a porcentagem de hidrogênio (H2) no biogás foi de 51%, a produção volumétrica de hidrogênio (PVH) de 88,0 mL H2 L-1 h-1 e o rendimento de hidrogênio (HY) de 1,18 mol H2 molcarboidratos-1. O microrganismo predominante nesse reator foi o Thermoanaerobacterium, e a principal rota a do ácido lático. O reator ASTBR – M I sofreu acidificação após a retirada completa de alcalinizante, permitindo a detecção de H2 no biogás. Porém, a retomada da adição de NaHCO3 favoreceu o crescimento das arqueias, principalmente metanogênicas hidrogenotróficas. A comparação dos reatores metanogênicos foi realizada para fases com condições semelhantes (COV de 10 g L-1d-1 e 1,00 g NaHCO3 g-1DQO) e permitiu verificar melhor desempenho na produção de CH4 do ASTBR – M II. Em relação ao MY, a eficiência do ASTBR – M II foi 44% superior ao ASTBR M – I. / Brazil is the largest producer of sugarcane and one of the main sub-products of this industry is the molasses, which is rich in carbohydrates and can be used as a substrate for biogas production in anaerobic digestion. In this study, biogas production was evaluated under thermophilic conditions (55 °C) in a two-phases system (acidogenic reactor followed by methanogenic reactor) based on phase separation and a single-phase system (acidogenic and methanogenic microorganisms in a single unit) using molasses as the substrate. The acidogenic reactor (ASTBR-A) was operated under the organic loading rate (OLR) of 60.0 g L-1d-1 and hydraulic retention time (HRT) of 4 hours. The methanogenic reactor (ASTBR M II), which was sequential to acidogenic one, was operated in ten phases with OLR ranging from 0.6 to 10.0 g L-1d-1 and HRT of 40 and 24 hours. The single-phase reactor was composed of a methanogenic reactor (ASTBR -– M I) operated in nine phases with increasing OLR from 2.5 to 10.0 g L-1d-1 and HRT of 28 hours. Sodium bicarbonate (NaHCO3) was added in the ratio of 1.00 g NaHCO3 g-1COD in all phases of ASTBR – M II. For the ASTBR – M I, the concentration varied between 1.00 to 0.00 g NaHCO3 g-1COD. In the ASTBR – A, the percentage of hydrogen (H2) in the biogas was 51%, the volumetric hydrogen production (VHP) was 88.0 mL H2 L-1 h-1 and the hydrogen yield (HY) was 1.18 mol H2 molar-1carbohydrate. The predominant microorganism in this reactor was the Thermoanaerobacterium and the main metabolite route was the lactic acid. The ASTBR – M I suffered acidification after the complete removal of the alkalinizer allowing the detection of hydrogen in the biogas. However, the use of the alkalinizer after its complete removal from the system favored the growth of Archaeas, mainly the hydrogenotrophic methanogens. The comparison of the methanogenic reactors was carried out for phases with similar conditions (OLR of 10 g L-1d-1 and 1.00 g NaHCO3 g-1COD) and allowed to verify a better performance in the methane (CH4) production in the ASTBR – M II. Regarding the methane yield (MY), the efficiency of ASTBR – M II was 44% higher than ASTBR M – I.

Neste trabalho avaliou-se a produção de compostos de interesse biotecnológico potenciais vetores energéticos a partir de papel em lisímetros (20L), usando-se consórcio microbiano enriquecido do fluido de rúmen. Para tanto, foi realizado um delineamento composto central (DCC) para verificar a influência de três variáveis independentes na conversão de papel sulfite a hidrogênio e outros compostos orgânicos em lisímetro de bancada. As variáveis testadas foram massa de papel (X1: 500g, 750g e 1000g), teor de umidade papel (X2: 50%, 65% e 80%), e temperatura (X3:35°C, 45°C e 55°C). As respostas avaliadas no DCC foram produção de hidrogênio (Y1; mmol), ácido acético (Y2; mg/L), etanol (Y3; mg/L) e metanol (Y4; mg/L). Para o monitoramento dos lisímetros em relação à hidrólise e fermentação do papel, foram analisados biogás (H2, N2, CO2 e CH4) e a concentração de compostos no percolado, como açúcares totais, demanda química de oxigênio (DQO), ácidos orgânicos voláteis (AOVs) e álcoois. Além disso, monitorou-se o pH, alcalinidade e sólidos totais. Sequenciamento massivo do gene RNAr 16S via Plataforma Illumina foi usado para identificação dos micro-organismos do fluido de rúmen in natura, do consórcio enriquecido, e daqueles dos lisímetros R2, R5 e R9. Produção de hidrogênio só foi observada nos lisímetros R1 (25 mmol), R2 (35 mmol) e R5 (3 mmol), sendo os três com umidade inicial de 80%. Em R1 e R2, observou-se elevadas concentrações de ácido acético, de 21.500 e 17.000 mg/L, respectivamente, provavelmente devido à ocorrência de homoacetogênese. Sob temperatura termofílica, especialmente em R5, observou-se consumo de hidrogênio, e produção de etanol (2.300 mg/L) e metanol (5.600 mg/L). Na condição de 80% de umidade (R1, R2, R5, R6), verificou-se maiores percentuais de remoção de papel e atividade fermentativa mais acentuada, ao passo que abaixo de 80%, o desenvolvimento microbiano foi desfavorecido, independente da temperatura. Verificou-se consumo muito reduzido de papel e baixas concentrações de AOVs e álcoois para R3, R4, R7 e R8, todos com 50% umidade. Em R9 e R10, operados a 45 °C e 65% de umidade, também verificou-se produção atenuada de AOVs e álcoois, com ausência de hidrogênio. Por meio do DCC, observou-se efeito estatisticamente significativo da umidade do papel na produção de hidrogênio, ácido acético e etanol. Em relação à temperatura, verificou-se efeito positivo estatisticamente significativo na produção de hidrogênio e ácido acético. Por fim, para a massa de papel não se verificou nenhum efeito sobre as respostas analisadas. Os gêneros de bactérias mais abundantes foram: Prevotella no fluido de rúmen in natura (F.N.) Dysgonomonas no fluido de rúmen enriquecido e em R2 (35°C), Thermicanus em R5 (55°C) e Phaeospirillum em R9 (45ºC). A umidade foi o parâmetro mais determinante para promover a hidrólise e fermentação do papel; a temperatura foi a principal variável de influência na estrutura das comunidades microbianas dos lisímetros, confirmada pelas diferentes rotas metabólicas observadas sob temperatura mesofílica e termofílica; e os rendimentos de produção dos compostos não foram influenciados pela massa de papel adicionada aos lisímetros. / This study evaluated the production of compounds of biotechnological interest and potential energy vectors from office paper in lysimeters (20L), using a microbial consortium purified from rumen fluid. A central composite design (CCD) was performed to verify the influence of three independent variables on paper conversion to hydrogen and other organic compounds in bench lysimeter. The tested variables were: mass of paper (x1: 500g, 750g and 1000g), moisture content (x2: 50%, 65% and 80%), and incubation temperature (x3: 35°C, 45°C and 55°C). The dependent variables of CCD were production of hydrogen (Y1: mmol), acetic acid (Y2: mg/L), ethanol (Y3:mg/L) and metanol (Y4:mg/L). For monitoring the lysimeters in relation to paper hydrolysis and fermentation, analyses of biogas (H2, N2, CO2 and CH4) and the organic compounds' concentrations in the leachate, such as, total sugars, chemical oxygem demand, volatile organic acids (VOA's) and alcohols were conducted during operation. Alcalinity, pH and total solids content of the leachate were also monitored. Massive sequencing of rRNA 16S (Illumina) was carried out for identification of the microorganisms of the in natura rumen fluid, the purified consortium, and those collected from lysimeters R2, R5 and R9. Hydrogen production was detected only in lysimeters R1 (25 mmol), R2 (35 mmol) and R5 (3 mmol), all of them operated with 80% of moisture content. In R1 and R2, high concentrations of acetic acid, of 21.500 and 17.000, respectively, were due to the likely occurrence of homoacetogenesis. Under thermophilic temperature, especially R5, the hydrogen production was detected in low quantity, and the highlight was the production of ethanol and methanol, with concentrations around 2.300 and 5.600 mg/L, respectively. At 80% moisture condition (R1, R2, R5, R6), high percentages of paper removal and sharp fermentative activity were observed. However, at lower moisture conditions, the microbial growth was unfavored, independent of the temperature. Low paper consumption and reduced concentrations of OVA's and alcohols were detected in R3, R4, R7 and R8, all of them operated with 50% of moisture content. In R9 and R10, operated at 45°C and 65% of moisture, there was also attenuated production of VOA\'s and alcohols, with absence of hydrogen. According to CCD statistical analysis, paper moisture content had positive effect statistically significative on hydrogen, acetic acid and etanol production. The temperature had positive effect on hydrogen and acetic acid production. And the mass of paper dit not have effect statistically significative for any dependent variables. The most abundant bacterial genus was: Prevotella in the in natura rumen fluid (F.N.) Dysgonomonas in the purified consortium and R2 (35 oC), Thermicanus in R5 (55°C) and Phaeospirillum in R9 (45° C). In conclusion, moisture content was the main parameter to promote paper hydrolysis and fermentation; temperature was the principal variable that influenced the structure of microbial community, confirmed by the different metabolic route observed under mesophilic and thermophilic conditions; and the production yields of the compounds were not influenced by the mass of paper added to the lysimeters.

Today, the demand for speed in drug discovery is constantly increasing, particularly in the iterative processes of hit validation and expansion and lead optimization. Irradiation with microwaves (MWs) has been applied in the area of organic synthesis to accelerate chemical reactions and to facilitate the generation of new chemical entities since 1986. In the work presented in this thesis, the use of MW-mediated heating has been expanded to address three fields of drug discovery, namely hit expansion, chemical library generation and genomics. In the first project, potential inhibitors of malaria aspartic proteases were designed and synthesized, partly by MW-assisted organic chemistry, and evaluated with regard to their inhibitory efficacy on five malaria aspartic proteases and their selectivity over two human aspartic proteases. The synthetic work included the development of fast and convenient methods of MW-assisted formation of thiazolidines and epoxy esters. Some of the resulting structures proved to be efficacious inhibitors of the aspartic protease that degrades haemoglobin in all four malaria parasites infecting man. No inhibitor affected the human aspartic proteases. Expedient, two-step, single-operation synthetic routes to heterocycles of medicinal interest were developed in the second and third projects. In the former, the use of a versatile synthon, Ph3PCCO, provided α,β-unsaturated lactones, lactams and amides within 5–10 minutes. In the latter project, saturated lactams were formed from amines and lactones in 35 minutes, in the absence of strong additives. These two MW-mediated protocols allowed the reduction of the reaction time from several hours or days to minutes. In the fourth project, a fully automated MW-assisted protocol for the important enzyme-catalysed polymerase chain reaction (PCR) was established. In addition, the PCR reaction could be performed in unusually large volumes, 2.5 mL and 15 mL, with yields corresponding to those from conventional PCR. Good amplification rates suggested that the thermophilic enzyme, Taq polymerase, was not affected by the MW radiation.

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Made available in DSpace on 2015-03-26T12:26:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2077124 bytes, checksum: 59f01201db0c813515df97522a0e48f4 (MD5) Previous issue date: 2008-02-28 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Paper mill industrial processes consume large quantities of water consequently leading to large mill effluent volumes. One way to reduce water consumption is by increasing water reuse in the paper mill. Direct water reuse is not always possible because of poor effluent quality and effluent treatment may be necessary to permit reuse. Membrane bioreactors are a new treatment technology that are little used, mainly due to the lack of scientific and technical knowledge of their implementation. The present study examined the technical viability of thermophilic treatment of paper machine effluents in a membrane bioreactor. The studied was divided into three experiments. The main objective of the first experiment was to compare performance of laboratory-scale conventional activated sludge (CAS) and a membrane bioreactor (MBR) with 0,02µm porosity membranes in treating printing and writing paper machine white water at 35, 45 and 55°C. Results showed that the BRM was more efficient that the CAS in removing part of the effluent contaminant load. Average percent removals of chemistry oxygen demand (COD) in the CAS were 70.0, 78.1 and 76.7% and in the MBR 81.4, 81.9 and 78.7% at temperatures of 35, 45 and 55°C, respectively. Treated effluent total suspend solids (TSS) values in the CAS were 39, 54 and 88 mg.L-1 at of 35, 45 and 55°C. No TSS were detected in the MBR treated effluent. Turbidities of effluents treated in the CAS were 16, 35 and 165 NTU at temperatures 35, 45 and 55°C. MBR treated effluent presented no turbidity. Alkalinity and hardness of effluent treated by CAS were lower than for effluent treated by the MBR. The main objective of Experiment II was to compare performance of MBR effluent treatment under mesophilic (35°C), thermotolerant (45°C) and thermophilic (55°C) conditions. In Experiment II an MBR system composed of three reactors operating in parallel at the three different temperatures were used. This experiment was divided into three stages, with different COD loads in each: Stage 1 2.57 Kg.m-3.d-1; Stage II 4.75 Kg.m-3.d-1 and Stage III 9.43 Kg.m-3.d-1. The results showed that the increase in temperature led to reduction in COD removal efficiencies. Removals of COD in Stage I were 95.5, 94.2 and 91.9%, at temperatures of 35, 45 e 55°C, respectively. In Stage II, removal efficiencies were 97.4, 95.6 and 95.0% at 35, 45 and 55°C, respectively. In Stage II, removal efficiencies were 95.6, 93.3 and 89.7% at 35, 45 and 55°C, respectively. No TSS were detected in any of the treated effluents. Treated effluent turbidity increased with increased treatment temperature. Average turbidity of treated effluents were 0.11, 0.24 and 1.13 NTU in Stage I, 0.10, 0.16 and 1.01 NTU in Stage II and 0.87, 2.00 and 4.34 NTU in Stage III for treatment at 35, 45 e 55°C, respectively. Average conductivities of treated effluents were 1812, 1937 and 2927 µS.cm-1 for Stages I, II and III, respectively. Treated effluent color was greater for treatment at 55°C. Average color was 23, 23 and 102 mg.L-1 Pt in Stage I, 31, 36 and 127 mg.L-1 Pt in Stage II and 46, 58 and 163 mg. L-1 Pt in Stage III for temperatures of 35, 45 and 55°C, respectively. Average hardness values in treated effluents were 258, 203 and 160 mg.L-1 in Stage I, 439, 350 and 292 mg.L-1 in Stage II and 639, 565 and 495 mg.L-1 in Stage III, for treatments at 35, 45 and 55°C. No filamentous bacteria were found at 55°C and flocculation was deficient. The main objective of Experiment III was to evaluate sludge microbial diversity in aerobic MBRs operating under mesophilic and thermophilic conditions. It was found that increased temperature reduced reactor sludge microbial diversity and richness. A new microbial community was established above 45°C that differed structurally from the community present in the MBR operated at 35°C. / Fábricas de papel consomem elevadas quantidades de água nos seus processos industriais gerando, conseqüentemente, grande volume de efluentes. Aumentar o reuso de água é uma forma que as empresas encontram para reduzir o consumo de água nas fábricas de papel. A reutilização da água nem sempre é possível devido a sua qualidade, o que requer um tratamento prévio. Biorreatores a membranas constituem uma nova tecnologia de tratamento, ainda pouco utilizada em decorrência do desconhecimento técnico e científico para sua implementação. O presente estudo verificou a viabilidade técnica de utilização de biorreatores a membranas para o tratamento termofílico de efluentes de máquinas de papel. O estudo foi dividido em três experimentos. O objetivo principal do primeiro experimento foi comparar o desempenho de um sistema de tratamento de efluentes por Lodos Ativados Convencional (LAC) e um sistema de tratamento de efluentes por Biorreator a Membranas (BRM), cuja porosidade das membranas era de 0,02µm, para remover os contaminantes orgânicos e inorgânicos presentes na água branca de uma máquina de papel para imprimir e escrever em três diferentes temperaturas: 35, 45 e 55 °C. Neste experimento foram utilizados dois sistemas laboratoriais de tratamento de efluentes composto de um LAC e um BRM. No experimento I, os estudos mostraram que o BRM foi mais eficiente do que o LAC para remover parte dos contaminantes presentes no efluente. As percentagens médias de remoção de DQO para o LAC foram 70, 78,1 e 76,7% e para o BRM foram 81,4, 81,9 e 78,7%, para as temperaturas de 35, 45 e 55°C, respectivamente. As concentrações de SST no efluente tratado no sistema LAC foram 39, 54 e 88 mg.L-1 para as temperaturas de 35, 45 e 55°C. No BRM não foi detectado SST no efluente tratado. A turbidez do efluente tratado pelo LAC foi 16, 35 e 165 UNT para as temperaturas de 35, 45 e 55°C. No BRM não houve turbidez no efluente tratado. As concentrações de alcalinidade e de dureza no efluente tratado para o LAC foram inferiores às taxas obtidas pelo BRM. O objetivo principal do Experimento II foi comparar os desempenhos dos sistemas de tratamentos de efluentes por BRM em condições mesofílica (35°C), termotolerante (45°C) e termofílica (55°C). No Experimento II foi utilizado um sistema de BRM composto de três reatores, operando em paralelo, em três temperaturas diferentes. Este Experimento foi dividido em três etapas, sendo que, cada etapa foi utilizada uma carga diferente de DQO: Etapa I 2,57 Kg.m-3.d-1; Etapa II 4,75 Kg.m-3.d-1 e Etapa III 9,43 Kg.m-3.d-1. Os resultados demonstraram que o aumento da temperatura ocasionou uma redução nas eficiências de remoção de DQO. As taxas de remoções de DQO na Etapa I, para as temperaturas de 35, 45 e 55°C, foram 95,5, 94,2 e 91,9%, respectivamente. Para a Etapa II, as taxas foram 97,4, 95,6 e 95,0% para as temperaturas de 35, 45 e 55°C, respectivamente. Para a Etapa III, as taxas de remoções de DQO foram 95,6, 93,3 e 89,7% para as temperaturas de 35, 45 e 55°C, respectivamente. Em nenhum tratamento foi detectada concentrações de SST no efluente tratado. A turbidez nos efluentes tratados aumentou à medida que aumentou a temperatura dos tratamentos. As médias de turbidez dos efluentes tratados, para a Etapa I, foram 0,11, 0,24 e 1,13 UNT; na Etapa II foram 0,10, 0,16 e 1,01 UNT e na Etapa III foram 0,87, 2,00 e 4,34 UNT para as temperatura de 35, 45 e 55°C, respectivamente. A média das condutividades dos efluentes tratados foram 1812, 1937 e 2927µS.cm-1 para as Etapas I, II e III, respectivamente. A cor nos efluentes tratados foi maior para os tratamentos realizados à temperatura de 55°C. As médias das concentrações de cor, para a Etapa I, foram 23, 23 e 102 mg.L-1 Pt; na Etapa II foram 31, 36 e 127 e na Etapa III foram 46, 58 e 163 mg. L-1 Pt, para as temperaturas de 35, 45 e 55°C, respectivamente. Quanto à concentração de dureza nos efluentes tratados, na Etapa I as médias foram 258, 203 e 160 mg.L-1. Na Etapa II, as médias foram 439, 350 e 292 mg.L-1 e na Etapa III, as médias foram 639, 565 e 495 mg.L-1, para as temperaturas de 35, 45 e 55°C. Não foram encontradas bactérias filamentosas na temperatura de 55°C e a floculação foi deficiente. O Experimento III teve como principal objetivo avaliar a diversidade biológica dos microrganismos em dois BRMs aeróbios, nas condições mesofílica e termofílica. Este experimento verificou que o aumento da temperatura reduziu a diversidade e a riqueza dos microrganismos presentes no lodo. A partir de 45°C estabeleceu-se uma nova comunidade microbiana, diferente das comunidades presentes nos reatores à temperatura de 35°C.

Made available in DSpace on 2014-07-29T12:03:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_Cristine_Cysneiros.pdf: 1284054 bytes, checksum: c3e0f947790961725c6b67bf30fac547 (MD5) Previous issue date: 2009-04-03 / The objective of this work was to produce and characterize four multi enzyme complexes from the fungus Humicola grisea var. thermoidea, maintained for 96 hours at 42oC in growth media containing different carbon sources: Marandu grass; soybean seedcoats; Tifton 85 hay; and corn forage. Different amounts of cellulase, xylanase and -glucosidase enzymes were obtained depending on the different carbon sources. Cellulase presented increased activity in temperatures between 40ºC and 50ºC. The observed optimum temperature range for xylanase and β-glycosidase was from 50ºC and 60ºC. Optimum pH for cellulase activity was 6.0 when fungus growth occurred in Tifton hay, corn forage, and soybean seedcoats. When the enzyme was obtained from medium containing Marandu grass, optimum enzyme activity occurred at pH 5.5. Regardless of the carbon source, xylanase activity was higher at pH 6.0. As for β-glucosidase, optimum activity was observed at pH 5.5 for Tifton media as compared to pH 6.5 for corn and soybean containing media. For grass Marandu, the activity of the enzyme was maximum in the range 5.5 to 6.5. Cellulase produced from all growth media were maintained stable after incubation for 60 minutes at 39°C. Xylanase presented thermal stability during 240 minute incubation period at 50°C. Activity stability of β-glycosidase varied according to carbon source and presented 66.7 to 125.75% activity at 50°C for 240 minutes. / Enzimas fibrolíticas exógenas são produzidas por cultura específica de bactérias ou fungos. São essenciais aos animais por estarem envolvidas na hidrólise dos componentes complexos das dietas em moléculas orgânicas mais simples como glicose, celobiose, xilose, aminoácidos, ácidos graxos, que são então usadas pelos microrganismos do rúmen e/ou pelo animal. Melhoras no desempenho dos ruminantes devido ao uso de enzimas fibrolíticas são atribuídas principalmente à maior degradação da fibra no rúmen, o que resulta em aumento da ingestão de energia disponível pelos animais. Os objetivos deste trabalho foram os de produzir e caracterizar quatro soluções enzimáticas, utilizando o fungo Humicola grisea var. thermoidea e avaliar seus efeitos por meio da digestibilidade verdadeira in vitro da matéria seca de quatro substratos: capim Marandu, casquinha de soja, feno de Tifton-85 e forragem de milho. As soluções enzimáticas foram produzidas a partir de quatro meios de culturas diferentes, contendo a fonte de carbono específica, durante 96 horas de cultivo, a 42°C. Foi observado que o fungo produziu as enzimas celulases, xilanase e -glicosidase em diferentes concentrações, o que foi dependente da fonte de carbono. A caracterização bioquímica mostrou que a celulase produzida apresentou maior atividade em temperatura entre 40ºC e 50°C. A temperatura ótima de xilanase e β-glicosidase foi entre 50 e 60°C. O pH ótimo da enzima celulase foi 6,0, quando o fungo cresceu em feno de Tifton, forragem de milho e casquinha de soja. Para o capim Marandu, a enzima apresentou atividade ótima em pH 5,5. Para as quatro fontes de carbono, a xilanase produzida apresentou pH ótimo de 6,0. Em relação a β-glicosidase, a atividade enzimática foi maior em pH 5,5, no meio com feno de Tifton. Para capim Marandu, a atividade da enzima foi máxima na faixa de 5,5 a 6,5. Quanto à forragem de milho e casquinha de soja, a enzima exibiu maior atividade em pH 6,5. A celulase produzida, nas quatro fontes de carbono, permaneceu estável após a incubação por 60 minutos, a 39°C. Xilanase produzida apresentou estabilidade térmica durante 240 minutos de incubação, a 50°C. A β-glicosidase, dependendo da fonte de carbono, manteve de 66,7 a 125,75% de sua atividade, a 50°C, durante 240 minutos. Para avaliar o potencial das soluções enzimáticas sobre a digestibilidade in vitro dos substratos, 2,5; 5,0 e 10 mL de cada solução foram aplicados, por aspersão, em 17 g dos seus respectivos substratos, moídos em peneira com malha de 1 mm de diâmetro. Após aspersão, as enzimas ficaram em contato com os substratos por 2 e 24 h (tempo de reação enzima-substrato), antes de serem incubados no rúmen. A digestibilidade in vitro da MS foi avaliada em líquido ruminal tamponado, durante o período de 12, 24, 48 e 96 h. Para cada substrato, foram incubados 34 sacos (4 níveis de enzimas x 4 períodos de incubação x 2 repetições x 1 branco x 1 testemunha). As soluções enzimáticas, em qualquer nível de enzimas, quando comparados aos tratamentos controle, aumentaram a digestibilidade da MS dos substratos, nos tempos de reação enzima-substrato e período de incubação no rúmen. Este estudo mostrou que enzimas fibrolíticas exógenas produzidas por H. grisea tem potencial para uso como aditivo em dietas de ruminantes