Effect of batch size on mechanical properties of granules in high shear granulation

The flow patterns in a high shear granulator depend on the fill volume. For example, DEM simulations reported by Terashita et al. [1] show that fill volume affects the velocities and kinetic energies of the particles. It also influences the granule size distribution [2]. Here the effects on the properties of the granule are described. The total mass of the granulate material was varied without changing the other variables such as impeller speed, granulation time and liquid to solid ratio. The resulting mechanical properties, such as strength, yield stress and Young's modulus, of the granules were measured. For the materials studied in the current work, increasing the fill factor (batch size) increased the values of these material parameters. This could be explained by the relative increase in the number and intensity of collisions between the particles, when the size of a batch was increased, leading to smaller porosities. (c) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Batch and continuous biogas production from grass silage liquor

Herein batch and continuous mesophilic anaerobic digestion of grass silage liquor was studied. The continuous process was carried out in Armfield digesters with an OLR ranging from 0.851 to 1.77 kg COD m-3 day-1. The effect of recirculation of effluent from the digester was investigated using different OLRs of grass silage liquor feed. These results showed that as the OLR increased, the methane yield decreased for the reactor with no recycle and increased for the reactor with recycle. However, the COD removal for both digesters was nearly the same at the same OLR. Overall these studies show that grass silage liquor can produce a high quality methane steam between 70% and 80% and achieve methane yields of 0.385 m3 kg-1 COD.

Lovastatin biosynthesis depends on the carbon-nitrogen proportion: model development and controller design

Lovastatin biosynthesis depends on the relative concentrations of dissolved oxygen and the carbon and nitrogen resources. An elucidation of the underlying relationship would facilitate the derivation of a controller for the improvement of lovastatin yield in bioprocesses. To achieve this goal, batch submerged cultivation experiments of lovastatin production by Aspergillus flavipus BICC 5174, using both lactose and glucose as carbon sources, were performed in a 7 liter bioreactor and the data used to determine how the relative concentrations of lactose, glucose, glutamine and oxygen affected lovastatin yield. A model was developed based on these results and its prediction was validated using an independent set of batch data obtained from a 15-liter bioreactor using five statistical measures, including the Willmott index of agreement. A nonlinear controller was designed considering that dissolved oxygen and lactose concentrations could be measured online, and using the lactose feed rate and airflow rate as process inputs. Simulation experiments were performed to demonstrate that a practical implementation of the nonlinear controller would result in satisfactory outcomes. This is the first model that correlates lovastatin biosynthesis to carbon-nitrogen proportion and possesses a structure suitable for implementing a strategy for controlling lovastatin production.

Semi batch learning with store management using enhanced conjugate gradient

This paper explores the performance of sliding-window based training, termed as semi batch, using multilayer perceptron (MLP) neural network in the presence of correlated data. The sliding window training is a form of higher order instantaneous learning strategy without the need of covariance matrix, usually employed for modeling and tracking purposes. Sliding-window framework is implemented to combine the robustness of offline learning algorithms with the ability to track online the underlying process of a function. This paper adopted sliding window training with recent advances in conjugate gradient direction with application of data store management e.g. simple distance measure, angle evaluation and the novel prediction error test. The simulation results show the best convergence performance is gained by using store management techniques. © 2012 Springer-Verlag.

Experimental design and batch experiments for optimization of Cr(VI) removal from aqueous solutions by hydrous cerium oxide nanoparticles

Hydrous cerium oxide (HCO) was synthesized by intercalation of solutions of cerium(III) nitrate and sodium hydroxide and evaluated as an adsorbent for the removal of hexavalent chromium from aqueous solutions. Simple batch experiments and a 2⁵ factorial experimental design were employed to screen the variables affecting Cr(VI) removal efficiency. The effects of the process variables; solution pH, initial Cr(VI) concentration, temperature, adsorbent dose and ionic strength were examined. Using the experimental results, a linear mathematical model representing the influence of the different variables and their interactions was obtained. Analysis of variance (ANOVA) demonstrated that Cr(VI) adsorption significantly increases with decreased solution pH, initial concentration and amount of adsorbent used (dose), but slightly decreased with an increase in temperature and ionic strength. The optimization study indicates 99% as the maximum removal at pH 2, 20 °C, 1.923 mM of metal concentration and a sorbent dose of 4 g/dm³. At these optimal conditions, Langmuir, Freundlich and Redlich–Peterson isotherm models were obtained. The maximum adsorption capacity of Cr(VI) adsorbed by HCO was 0.828 mmol/g, calculated by the Langmuir isotherm model. Desorption of chromium indicated that the HCO adsorbent can be regenerated using NaOH solution 0.1 M (up to 85%). The adsorption interactions between the surface sites of HCO and the Cr(VI) ions were found to be a combined effect of both anion exchange and surface complexation with the formation of an inner-sphere complex.

Arsenic(III,V) adsorption onto charred dolomite: charring optimization and batch studies

In this work, the removal of arsenic from aqueous solutions onto thermally processed dolomite is investigated. The dolomite was thermally processed (charred) at temperatures of 600, 700 and 800 degrees C for 1, 2, 4 and 8 h. Isotherm experiments were carried out on these samples over a wide pH range. A complete arsenic removal was achieved over the pH range studied when using the 800 degrees C charred dolomite. However, at this temperature, thermal degradation of the dolomite weakens its structure due to the decomposition of the magnesium carbonate, leading to a partial dissolution. For this reason, the dolomitic sorbent chosen for further investigations was the 8 h at 700 degrees C material. Isotherm studies indicated that the Langmuir model was successful in describing the process to a better extent than the Freundlich model for the As(V) adsorption on the selected charred dolomite. However, for the As(III) adsorption, the Freundlich model was more successful in describing the process. The maximum adsorption capacities of charred dolomite for arsenite and arsenate ions are 1.846 and 2.157 mg/g, respectively. It was found that both the pseudo first- and second-order kinetic models are able to describe the experimental data (R-2 > 0.980). The data suggest the charring process allows dissociation of the dolomite to calcium carbonate and magnesium oxide, which accelerates the process of arsenic oxide and arsenic carbonate precipitation. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

Efficient and selective hydrogen peroxide-mediated oxidation of sulfides in batch and segmented and continuous flow using a peroxometalate-based polymer immobilised ionic liquid phase catalyst

The peroxometalate-based polymer immobilized ionic liquid phase catalyst [PO4{WO(O-2)(2)}(4)]@PIILP has been prepared by anion exchange of ring opening metathesis-derived pyrrolidinium-decorated norbornene/ cyclooctene copolymer and shown to be a remarkably efficient system for the selective oxidation of sulfides under mild conditions. A cartridge packed with a mixture of [PO4{WO(O-2)(2)}(4)]@PIILP and silica operated as a segmented or continuous flow process and gave good conversions and high selectivity for either sulfoxide (92% in methanol at 96% conversion for a residence time of 4 min) or sulfone (96% in acetonitrile at 96% conversion for a residence time of 15 min). The immobilized catalyst remained active for 8 h under continuous flow operation with a stable activity/selectivity profile that allowed 6.5 g of reactant to be processed (TON = 46 428) while a single catalyst cartridge could be used for the consecutive oxidation of multiple substrates giving activity-selectivity profiles that matched those obtained with fresh catalyst.

Moving from Batch to Continuous Operation for the Liquid Phase Dehydrogenation of Tetrahydrocarbazole

Despite the numerous advantages of continuous processing, high-value chemical production is still dominated by batch techniques. In this paper, we investigate options for the continuous dehydrogenation of 1,2,3,4- tetrahydrocarbazole using a trickle bed reactor operating under realistic liquid velocities with and without the addition of a hydrogen acceptor. Here, a commercial 5 wt % Pd/Al₂O₃ catalyst was observed to slowly deactivate, hence proving unsuitable for continuous use. This deactivation was attributed to the strong adsorption of a byproduct on the surface of the support. Application of a base washing technique resolved this issue and a stable continuous reaction has been demonstrated. As was previously shown for the batch reaction, the addition of a hydrogen acceptor gas (propene) can increase the overall catalytic activity of the system. 

Production of lipase by extractive fermentation with ionic liquids

Novos processos fermentativos, designados por processos de Fermentação Extractiva, são caracterizados por apresentarem etapas de produção e extracção em simultâneo. A extracção líquido-líquido como técnica de separação é amplamente usado na indústria química pela sua simplicidade, baixo custo e facilidade de extrapolação de escala. No entanto o uso de solventes orgânicos nestes processos potencia os riscos ocupacionais e ambientais. Neste contexto, o uso de sistemas de duas fases aquosas baseados em líquidos iónicos, apresenta-se como uma técnica eficaz para a separação e purificação de produtos biológicos. Este trabalho apresenta um estudo integrado sobre o uso de líquidos iónicos não aromáticos foram determinados. A capacidade para a formação de sistemas de duas fases foi estudada para uma vasta gama de líquidos iónicos hidrofílicos com diferentes aniões, catiões e cadeias alqúilicas. A capacidade de separação e purificação de um largo conjunto de líquidos iónicos foi posteriormente investigada, recorrendo-se ao uso de várias biomoléculas modelo de diferentes graus de complexidade, um amino-acido (L-triptofano) e duas enzimas lipolíticas (enzima produzida pela bactéria Bacillus sp. e Candida antarctica lipase B – CaLB). Esta última foi ainda usada para um estudo de biocompatibilidade, tendo sido determinado o efeito de diferentes LIs hidrofílicos na sua actividade enzimática. Este trabalho mostra um estudo ecotoxicológico duma vasta gama de líquidos iónicos e espécies aquáticas, inseridas em diversos níveis tróficos. A bioacumulação foi investigada através do estudo dos coeficientes de distribuição 1-octanol-água (Dow).

Bioethanol production from a sub-product of pulping industry

A vida da sociedade atual é dependente dos recursos fósseis, tanto a nível de energia como de materiais. No entanto, tem-se verificado uma redução das reservas destes recursos, ao mesmo tempo que as necessidades da sociedade continuam a aumentar, tornando cada vez mais necessárias, a produção de biocombustíveis e produtos químicos. Atualmente o etanol é produzido industrialmente a partir da cana-de-açúcar e milho, matérias-primas usadas na alimentação humana e animal. Este fato desencadeou o aumento de preços dos alimentos em todo o mundo e, como consequência, provocou uma série de distúrbios sociais. Os subprodutos industriais, recursos independentes das cadeias alimentares, têm-se posicionado como fonte de matérias-primas potenciais para bioprocessamento. Neste sentido, surgem os subprodutos gerados em grande quantidade pela indústria papeleira. Os licores de cozimento da madeira ao sulfito ácido (SSLs) são uma matériaprima promissora, uma vez que durante este processo os polissacarídeos da madeira são hidrolisados originando açúcares fermentáveis. A composição dos SSLs varia consoante o tipo de madeira usada no processo de cozimento (de árvores resinosas, folhosas ou a mistura de ambas). O bioprocessamento do SSL proveniente de folhosas (HSSL) é uma metodologia ainda pouco explorada. O HSSL contém elevadas concentrações de açúcares (35-45 g.L-1), na sua maioria pentoses. A fermentação destes açúcares a bioetanol é ainda um desafio, uma vez que nem todos os microrganismos são capazes de fermentar as pentoses a etanol. De entre as leveduras capazes de fermentar naturalmente as pentoses, destaca-se a Scheffersomyces stipitis, que apresenta uma elevada eficiência de fermentação. No entanto, o HSSL contém também compostos conhecidos por inibirem o crescimento de microrganismos, dificultando assim o seu bioprocessamento. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho foi a produção de bioetanol pela levedura S. stipitis a partir de HSSL, resultante do cozimento ao sulfito ácido da madeira de Eucalyptus globulus. Para alcançar este objetivo, estudaram-se duas estratégias de operação diferentes. Em primeiro lugar estudou-se a bio-desintoxicação do HSSL com o fungo filamentoso Paecilomyces variotii, conhecido por crescer em resíduos industriais. Estudaram-se duas tecnologias fermentativas diferentes para a biodesintoxicação do HSSL: um reator descontínuo e um reator descontínuo sequencial (SBR). A remoção biológica de inibidores do HSSL foi mais eficaz quando se usou o SBR. P. variotii assimilou alguns inibidores microbianos como o ácido acético, o ácido gálico e o pirogalol, entre outros. Após esta desintoxicação, o HSSL foi submetido à fermentação com S. stipitis, na qual foi atingida a concentração máxima de etanol de 2.36 g.L-1 com um rendimento de 0.17 g.g-1. P. variotti, além de desintoxicar o HSSL, também é útil na produção de proteína microbiana (SCP) para a alimentação animal pois, a sua biomassa é rica em proteína. O estudo da produção de SCP por P. variotii foi efetuado num SBR com HSSL sem suplementos e suplementado com sais. A melhor produção de biomassa foi obtida no HSSL sem adição de sais, tendo-se obtido um teor de proteína elevado (82,8%), com uma baixa concentração de DNA (1,1%). A proteína continha 6 aminoácidos essenciais, mostrando potencial para o uso desta SCP na alimentação animal e, eventualmente, em nutrição humana. Assim, a indústria papeleira poderá integrar a produção de bioetanol após a produção SCP e melhorar a sustentabilidade da indústria de pastas. A segunda estratégia consistiu em adaptar a levedura S. stipitis ao HSSL de modo a que esta levedura conseguisse crescer e fermentar o HSSL sem remoção de inibidores. Operou-se um reator contínuo (CSTR) com concentrações crescentes de HSSL, entre 20 % e 60 % (v/v) durante 382 gerações em HSSL, com uma taxa de diluição de 0.20 h-1. A população adaptada, recolhida no final do CSTR (POP), apresentou uma melhoria na fermentação do HSSL (60 %), quando comparada com a estirpe original (PAR). Após esta adaptação, a concentração máxima de etanol obtida foi de 6.93 g.L-1, com um rendimento de 0.26 g.g-1. POP possuía também a capacidade de metabolizar, possivelmente por ativação de vias oxidativas, compostos derivados da lenhina e taninos dissolvidos no HSSL, conhecidos inibidores microbianos. Por fim, verificou-se também que a pré-cultura da levedura em 60 % de HSSL fez com que a estirpe PAR melhorasse o processo fermentativo em HSSL, em comparação com o ensaio sem pré-cultura em HSSL. No entanto, no caso da estirpe POP, o seu metabolismo foi redirecionado para a metabolização dos inibidores sendo que a produção de etanol decresceu.

Biovalorização de soro de queijo por processos anaeróbios/aeróbios

Este trabalho abordou a valorização de um subproduto da indústria de lacticínios (soro de queijo) através da alteração do funcionamento de processos habitualmente utilizados no contexto do tratamento biológico. Foi avaliada a fermentação acidogénica deste subproduto para maximizar a conversão do seu elevado teor de matéria orgânica em ácidos orgânicos voláteis (AOV) que actualmente são produtos com elevada procura, nomeadamente para produção de polihidroxialcanoatos (PHA). Em ensaios descontínuos e semi-contínuos foi caracterizada a produção e composição de AOV a partir de soro de queijo variando a razão food-to-microorganism (F/M) e a concentração de alcalinidade. Recorrendo à modelação dos resultados através de superfícies de resposta, demonstrou-se que condições de F/M = 4 gCQO g-1SSV combinadas com uma adição elevada de alcalinidade (8 g L-1 expresso como CaCO3) resultaram na conversão de 72% da CQO alimentada em AOV. O acetato e o butirato foram os AOV predominantes (60%), mas elevadas razões F/M combinadas com elevadas alcalinidades promoveram o alongamento da cadeia carboxílica, tendo sido produzidos AOV de maior massa molecular (iso-valerato e n-caproato). O processo de fermentação acidogénica foi posteriormente desenvolvido em modo contínuo num reactor MBBR acidogénico operado a longo prazo. Cargas orgânicas entre 30 e 50 gCQO L-1d-1 permitiram obter um grau de acidificação máximo de 68% no efluente fermentado. Foi ainda demonstrado que uma adição dinâmica de alcalinidade (0 – 4,8 g CaCO3 L-1) nestas condições estimulou a produção de AOV de cadeia ímpar (propionato e n-valerato) até 42%. O efluente acidificado no processo anaeróbio foi usado como substrato em reactores SBR operados para selecção de culturas microbianas mistas acumuladoras de PHA, nos quais foi aplicado um regime de alimentação dinâmica em condições aeróbias (“fartura-fome”). Estes sistemas operaram também a longo prazo, e demonstraram ser capazes de remover mais de 96% da CQO alimentada e simultaneamente convertê-la em PHA, até 36% do peso celular seco. A velocidade de remoção de substrato (valor máximo de 1,33 gCQO g-1SSV h-1) foi proporcional ao teor de polímero acumulado, evidenciando o estabelecimento de uma fase de “fome” prolongada que estimulou a selecção de microrganismos com elevada capacidade de acumulação de PHA. Além disso, o teor molar de hidroxivalerato (HV) no copolímero produzido [P(HB-co-HV)] foi directamente proporcional ao teor de AOV de cadeia ímpar (propionato e n-valerato) presente no soro fermentado que serviu de substrato. Uma estratégia de operação do reactor SBR com variação da carga orgânica, aliada ao regime “fartura-fome” estabelecido, permitiu ainda simular a realidade dos processos de tratamento biológico de efluentes, nos quais a composição e concentração inicial de matéria orgânica variam frequentemente. Este modo de operação do sistema estimulou notavelmente o processo de selecção de culturas acumuladoras de PHA tendo resultado num aumento da acumulação de PHA de 7% para 36%. Os resultados demonstraram com sucesso a possibilidade de valorização do soro de queijo através de eco-biotecnologia, contribuindo para uma mudança de paradigma no tratamento convencional de efluentes: ao invés de serem eliminados enquanto poluentes, os componentes orgânicos presentes neste subproduto industrial podem assim ser convertidos em materiais de valor acrescentado.

Optimização da estratégia de Fed-batch para produção de anticorpos monoclonais em sistema de expressão transiente

Dissertação de mest., Engenharia Biológica, Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais, Univ. do Algarve, 2009