Uma nova proposta de fluidos de perfuração aquosos à base de polímeros vinílicos e bentonita para poços de alta temperatura e pressão

The advance of drilling in deeper wells has required more thermostable materials. The use of synthetic fluids, which usually have a good chemical stability, faces the environmental constraints, besides it usually generate more discharge and require a costly disposal treatment of drilled cuttings, which are often not efficient and require mechanical components that hinder the operation. The adoption of aqueous fluids generally involves the use of chrome lignosulfonate, used as dispersant, which provides stability on rheological properties and fluid loss under high temperatures and pressures (HTHP). However, due to the environmental impact associated with the use of chrome compounds, the drilling industry needs alternatives that maintain the integrity of the property and ensure success of the operation in view of the strong influence of temperature on the viscosity of aqueous fluids and polymers used in these type fluids, often polysaccharides, passives of hydrolysis and biological degradation. Therefore, vinyl polymers were selected for this study because they have predominantly carbon chain and, in particular, polyvinylpyrrolidone (PVP) for resisting higher temperatures and partially hydrolyzed polyacrylamide (PHPA) and clay by increasing the system's viscosity. Moreover, the absence of acetal bonds reduces the sensitivity to attacks by bacteria. In order to develop an aqueous drilling fluid system for HTHP applications using PVP, HPAM and clay, as main constituents, fluid formulations were prepared and determined its rheological properties using rotary viscometer of the Fann, and volume filtrate obtained by filtration HTHP following the standard API 13B-2. The new fluid system using polyvinylpyrrolidone (PVP) with high molar weight had higher viscosities, gels and yield strength, due to the effect of flocculating clay. On the other hand, the low molecular weight PVP contributed to the formation of disperse systems with lower values in the rheological properties and fluid loss. Both systems are characterized by thermal stability gain up to around 120 ° C, keeping stable rheological parameters. The results were further corroborated through linear clay swelling tests.

Uma nova proposta de fluidos de perfuração aquosos à base de polímeros vinílicos e bentonita para poços de alta temperatura e pressão

The advance of drilling in deeper wells has required more thermostable materials. The use of synthetic fluids, which usually have a good chemical stability, faces the environmental constraints, besides it usually generate more discharge and require a costly disposal treatment of drilled cuttings, which are often not efficient and require mechanical components that hinder the operation. The adoption of aqueous fluids generally involves the use of chrome lignosulfonate, used as dispersant, which provides stability on rheological properties and fluid loss under high temperatures and pressures (HTHP). However, due to the environmental impact associated with the use of chrome compounds, the drilling industry needs alternatives that maintain the integrity of the property and ensure success of the operation in view of the strong influence of temperature on the viscosity of aqueous fluids and polymers used in these type fluids, often polysaccharides, passives of hydrolysis and biological degradation. Therefore, vinyl polymers were selected for this study because they have predominantly carbon chain and, in particular, polyvinylpyrrolidone (PVP) for resisting higher temperatures and partially hydrolyzed polyacrylamide (PHPA) and clay by increasing the system's viscosity. Moreover, the absence of acetal bonds reduces the sensitivity to attacks by bacteria. In order to develop an aqueous drilling fluid system for HTHP applications using PVP, HPAM and clay, as main constituents, fluid formulations were prepared and determined its rheological properties using rotary viscometer of the Fann, and volume filtrate obtained by filtration HTHP following the standard API 13B-2. The new fluid system using polyvinylpyrrolidone (PVP) with high molar weight had higher viscosities, gels and yield strength, due to the effect of flocculating clay. On the other hand, the low molecular weight PVP contributed to the formation of disperse systems with lower values in the rheological properties and fluid loss. Both systems are characterized by thermal stability gain up to around 120 ° C, keeping stable rheological parameters. The results were further corroborated through linear clay swelling tests.

Development of a dissolvable microneedle influenza vaccine patch

Delivery of large molecular weight biological molecules to the epidermis and dermis is constrained by the tough outer layer of the epidermis, the stratum corneum (sc). Microneedle technologies attempt to overcome this physical barrier using sharp micron-size projections to penetrate the sc. Dissolvable microneedles (DMN), are a particular microneedle design whereby the needle structure is composed of a soluble matrix that upon application to the skin, dissolves releasing the vaccine load into skin. This thesis examines (1) the formulation and processing considerations around DMN fabrication, (2) the immunogenicity of DMN containing trivalent influenza vaccine (TIV) in pre-clinical mouse and pig models and (3) the thermostability of these DMN formulations during storage. The results demonstrate the importance of formulation for microneedle formation and mechanical strength. Trehalose and polyvinylalcohol based formulations produced optimal microneedle structures and were amenable to piezoelectric dispensing; allowing for precise multi-layered DMN to be fabricated. The effect of drying conditions was assessed and found to be critical for DMN mechanical strength and skin penetration. The antibody responses to TIV generated by DMN-mediated vaccination were comparable or greater to those induced by immunization with a commercial TIV via the IM route in mice. DMN mediated immunisation resulted in a significantly broader humoral response to heterotypic influenza viruses compared to IM delivery. Stored at 40°C, a licensed seasonal influenza vaccine incorporated into DMN array was thermostable for at least 6 month as determined by Single Radial Immunodiffusion and immunogenicity in mice. The thesis advances the field of DMN influenza vaccination by elucidating important processing and formulation considerations in the fabrication of highly reproducible DMN. It also demonstrated that DMN can induce broader, larger humoral responses than conventional IM administration while demonstrating enhanced accelerated stability. Crucially, this works advances an automated fabrication system that will allow for clinical translation of DMN.

Enzymatic upgrading of eucalypt paper-grade kraft pulp within dissolving pulp production

Dissolving-grade pulps are commonly used for the production of cellulose derivatives and regenerated cellulose. High cellulose content, low content of non-cellulosic material, high brightness, a uniform molecular weight distribution and high cellulose reactivity are the key features that determine the quality of a dissolving pulp. The first part of this work was an optimization study regarding the application of selected enzymes in different stages of a new purification process recently developed in Novozymes for purifying an eucalypt Kraft pulp into dissolving pulp, as an alternative to the pre-hydrolysis kraft (PHK) process. In addition, a viscosity reduction was achieved by cellulase (endoglucanase) treatment in the beginning of the sequence, while the GH11 and GH10 xylanases contributed to boost the brightness of the final pulp. The second part of the work aimed at exploring different auxiliary enzyme activities together with a key xylanase towards further removal of recalcitrant hemicelluloses from a partially bleached Eucalypt Kraft pulp. The resistant fraction (ca. 6% xylan in pulp) was not hydrolysable by the different combinations of enzymes tested. Production of a dissolving pulp was successful when using a cold caustic extraction (CCE) stage in the end of the sequence O-X-DHCE-X-HCE-D-CCE. The application of enzymes improved process efficiency. The main requirements for the production of a dissolving pulp (suitable for viscose making) were fulfilled: 2,7% residual xylan, 92,4% of brightness, a viscosity within the values of a commercial dissolving pulp and increased reactivity.

Avaliação do potencial probiótico de leveduras isoladas de azeitonas de mesa da cultivar Negrinha de Freixo

Probióticos são definidos como microrganismos vivos, que quando administrados em quantidades adequadas, conferem benefícios à saúde do hospedeiro. Atualmente a pesquisa de microrganismos probióticos a partir da fermentação da azeitona tem-se centrado nas bactérias ácido-lácticas, sendo escassos os estudos envolvendo leveduras. No presente trabalho avaliou-se o potencial probiótico de estirpes de leveduras previamente isoladas durante o processo de fermentação natural de azeitona de mesada cultivar Negrinha de Freixo. Foram avaliadas 16 estirpes em relação à atividade enzimática (catalase, amilase, xilanase, protease e β-glucosidase); ao crescimento a 37ºC; ação inibitória frente a microrganismos patogénicos; capacidade de autoagregação; atividade antioxidante (utilizando o método de DPPH); e resistência ao aparelho digestivo humano, a partir de uma simulação in vitro da digestão gástrica e pancreática. Os resultados apresentados para a atividade enzimática indicaram que em alguns isolados foi detetado fraca atividade das enzimas protease, xilanase e amilase. Já uma atividade forte de lipase foi observada nas estirpes Pichia manshurica e Saccharomyces cerevisiae (15A e 15B). Para a enzima β-glucosidase, identificou-se atividade forte em Rhodotorula graminis, Rhodotorula glutinis, Candida norvegica, Pichia guilliermondii e Galactomyces reessii. Relativamente à capacidade de crescimento à temperatura corporal (37ºC), três estirpes (Saccharomyces cerevisiae 15B; Candida tropicalis 1A; e Pichia membranifaciens 29A) destacaram-se por apresentar maior taxa específica de crescimento. A capacidade bloqueadora dos radicais livres DPPH foi verificada em 10 estirpes, sendo as estirpes de S. cerevisiae as que mais se destacaram dentre as outras. As estirpes C. norvegica e G. reessii (34A) apresentaram capacidade antifúngica frente ao microrganismo patogénico Cryptococcus neoformans. Em relação à capacidade de autoagregação avaliada, as estirpes S. cerevisiae (15A), Candida tropicalis (1A) e C. norvegica (7A) apresentaram ao fim de 24 horas percentagens superiores a 80%. Relativamenteà resistência frente às condições presentes no trato gastrointestinal in vitro, a estirpe P. guilliermondii (25A), destacou-se dentre as demais, por apresentar maior capacidade de sobrevivência em todo o processo digestivo simulado. As estirpes Candida boidinii (37A) e S. cerevisiae (15A) apresentaram menor capacidade de sobrevivência nestas condições. Contudo, serão necessários testes adicionais para complementar estes resultados.

Isolamento, seleção e cultivo de leveduras com potencia biotecnológico para a produção de endo-xilaneses

Xilanases são enzimas que catalisam a hidrólise das xilanas e têm sido em grande parte, obtidas a partir de bolores e bactérias. No entanto poucos estudos têm sido relatados sobre a produção destas enzimas por leveduras. O presente trabalho teve como objetivo isolar leveduras de diferentes fontes vegetais visando à produção de xilanases, além de maximizar sua produção, estudar o uso de diferentes fontes de nitrogênio e cultivar as leveduras em meios contendo coprodutos agroindustriais. As amostras de alimentos e resíduos foram enriquecidas em caldo extrato de malte e levedura e isoladas em Ágar Nutriente Wallerstein, as leveduras isoladas foram, a seguir, avaliadas quanto à capacidade de degradar xilana presente no meio e produzir halos de hidrólise, os quais foram visualizados através do uso do corante vermelho congo. Os micro-organismos selecionados como potenciais produtores de xilanase foram crescidos em meio complexo líquido e as atividades enzimáticas de endoxilanase, β-xilosidase, carboximetilcelulase, celulase total, pH e concentração de biomassa foram avaliadas ao longo de 96 h de cultivo. Dentre as leveduras isoladas, sete foram selecionadas, e a 18Y foi a que apresentou a maior atividade de endo- xilanase (2,7 U.mL-1 ), sendo esta isolada de chicória e identificada como Cryptococcus laurentii. Esta estirpe apresentou capacidade de produzir xilanase com baixos níveis de celulase, sendo assim selecionada neste trabalho. A maximização de endo-xilanase foi avaliada fazendo uso de planejamento experimental onde primeiramente foi realizado um planejamento fracionário 2 6-2 para verificar os efeitos do pH inicial e as concentrações de xilana, peptona, (NH4)2SO4, extrato de levedura e KH2PO4 sobre a atividade enzimática. Após selecionar as variáveis xilana, peptona, pH e extrato de levedura foi realizado um delineamento composto central rotacional (24 ) onde todos os cultivos foram mantidos a 30°C, 150 rpm durante 96 h sendo retiradas alíquotas para determinação das atividades, pH e biomassa. A produção máxima foi de 6,9 U.mL-1 usando 10,0 g.L-1 de extrato de levedura, 10,0 g.L-1 de peptona, 10,0 g.L-1 de xilana, 1,0 g.L-1 de (NH4)2SO4 em pH 6,5 o que permitiu um incremento de mais de 250% sobre a atividade. Posteriormente foram realizados ensaios avaliando diferentes fontes e concentrações de nitrogênio orgânico e inorgânico. A presença de NH4NO3 e (NH₄)₂SO₄ usados na concentração de 3% proporcionaram as maiores atividades de endo-xilanase (6,2 e 6,0 U.mL-1 respectivamente). O sulfato de amônio foi selecionado e fixado em 1 g.L-1 e logo após um planejamento completo 22 foi realizado onde as variáveis xilana e extrato de levedura foram estudadas e as demais fixadas. As condições ótimas estabelecidas para a produção da enzima foram: concentração de xilana de 18,6 g.L-1 , concentração de extrato de levedura de 10 g.L-1 atingindo 14 U.mL-1 . Após a maximização enzimática estudou-se o crescimento de Pichia pastoris NRRL Y-1603 e Cryptococcus laurentti em cinco substratos agroindustriais visando a possibilidade estes substratos substituírem a xilana em cultivos para a produção de endo-xilanase. Os ensaios foram realizados utilizando os subtratos pré-tratados com NaOH 4% e não tratados. Para inserção dos mesmos aos meios de cultivo, estes foram moídos e adicionados na concentração de 2%. O pré-tratamento para todos as fontes de hemicelulose foi eficiente e promoveu aumento nas atividades produzidas. Cryptococcus laurentti apresentou maior atividade enzimática (8,7 U.mL-1 ) em farelo de arroz desengordurado e pré- tratado enquanto que a levedura Pichia pastoris NRRL Y-1603 apresentou sua melhor condição para produção de endo-xilanase quando cultivada em meio contendo casca de aveia e o farelo de arroz pré-tratados, alcançando atividades máximas de 7,6 e 7,5 U.mL-1 .

Desenvolvimento de indicadores enzimáticos inteligentes para monitoramento da qualidade de alimentos

A dificuldade em conhecer o histórico de temperatura de um alimento, desde sua produção até o consumo, torna difícil prever sua verdadeira vida-útil. O uso de indicadores de tempo e temperatura (ITT) pode ser uma alternativa inovadora empregada para garantir a validade de produtos de forma dinâmica. Assim, este trabalho visa desenvolver novos indicadores enzimáticos de tempo e temperatura para monitorar a qualidade de alimentos perecíveis durante o seu processamento e armazenamento, baseados na reação de complexação entre o amido e o iodo (azul), e na posterior atuação de uma enzima amilase sobre esse complexo, para causar uma redução da intensidade da cor azul a uma taxa dependente do tempo e da temperatura de armazenagem. Os sistemas inteligentes propostos possuem versatilidade de atuação em função do tipo e quantidade de amilase empregada. Desta forma, foi utilizada uma amilase termoestável para a formulação de um indicador inteligente de processamento, utilizado para o controle de tratamentos térmicos industriais (pasteurização);e uma amilase termosensível na formulação de um indicador de armazenamento, empregada para o controle das condições de temperatura durante a cadeia de frio de produtos perecíveis. Na elaboração dos ITT de processamento foram realizadas simulações em laboratório e testes em planta fabril, os quais avaliaram diferentes concentrações de amilase termoestável nos protótipos de ITT quando submetidos as condições de tempo e temperatura de pasteurização. Os resultados evidenciaram que a resposta de cor dos indicadores foi visualmente interpretada, como adaptável à medição usando equipamentos, apresentando boa reprodutibilidade em todas as condições estudadas. O ITT contendo 6,5 % de amilase termoestável (penzima/pamido) foi aquele cujo resultado melhor se adequou à utilização na validação de cozimento de presunto. Nesta condição, o protótipo anexado à embalagem primária do produto indicou o processo de pasteurização de forma fácil, precisa e não destrutiva. Já durante o desenvolvimento do ITT de armazenamento foram realizadas simulações em laboratório, testes em planta fabril e ponto de venda, os quais avaliaram o uso de diferentes concentrações de amilase termosensível nos protótipos de ITT quando submetidos a diversas condições de cadeia de frio. Os resultados evidenciaram que devido à possibilidade de definir a vida-útil destes protótipos variando as concentrações de enzima termosensível, os indicadores podem ser facilmente adaptados para controlar as condições de temperatura durante a cadeia de diversos alimentos perecíveis. O protótipo contendo 60 % de amilase termosensível (penzima/pamido) foi aquele cujo resultado melhor se adequou à utilização no controle da cadeia avícola. Assim, o ITT indicou visualmente o histórico de tempo e temperatura de produtos à base de frango de forma fácil e precisa. Os resultados obtidos na avaliação das percepções dos consumidores frente ao emprego de indicadores inteligentes em embalagens alimentícias mostraram que o uso de ITT é uma inovação receptiva, com consequente aceitação e intenção de compra elevada pela população brasileira. Assim, com este trabalho espera-se contribuir efetivamente para que o conceito de embalagens inteligentes possa ser aceito comercialmente e que sejam estabelecidas no Brasil normas que regulamentem seu uso, conferindo benefícios à conservação de grande variedade de alimentos.

Evolution of genome sequencing techniques

The quality and the speed for genome sequencing has advanced at the same time that technology boundaries are stretched. This advancement has been divided so far in three generations. The first-generation methods enabled sequencing of clonal DNA populations. The second-generation massively increased throughput by parallelizing many reactions while the third-generation methods allow direct sequencing of single DNA molecules. The first techniques to sequence DNA were not developed until the mid-1970s, when two distinct sequencing methods were developed almost simultaneously, one by Alan Maxam and Walter Gilbert, and the other one by Frederick Sanger. The first one is a chemical method to cleave DNA at specific points and the second one uses ddNTPs, which synthesizes a copy from the DNA chain template. Nevertheless, both methods generate fragments of varying lengths that are further electrophoresed. Moreover, it is important to say that until the 1990s, the sequencing of DNA was relatively expensive and it was seen as a long process. Besides, using radiolabeled nucleotides also compounded the problem through safety concerns and prevented the automation. Some advancements within the first generation include the replacement of radioactive labels by fluorescent labeled ddNTPs and cycle sequencing with thermostable DNA polymerase, which allows automation and signal amplification, making the process cheaper, safer and faster. Another method is Pyrosequencing, which is based on the “sequencing by synthesis” principle. It differs from Sanger sequencing, in that it relies on the detection of pyrophosphate release on nucleotide incorporation. By the end of the last millennia, parallelization of this method started the Next Generation Sequencing (NGS) with 454 as the first of many methods that can process multiple samples, calling it the 2º generation sequencing. Here electrophoresis was completely eliminated. One of the methods that is sometimes used is SOLiD, based on sequencing by ligation of fluorescently dye-labeled di-base probes which competes to ligate to the sequencing primer. Specificity of the di-base probe is achieved by interrogating every 1st and 2nd base in each ligation reaction. The widely used Solexa/Illumina method uses modified dNTPs containing so called “reversible terminators” which blocks further polymerization. The terminator also contains a fluorescent label, which can be detected by a camera. Now, the previous step towards the third generation was in charge of Ion Torrent, who developed a technique that is based in a method of “sequencing-by-synthesis”. Its main feature is the detection of hydrogen ions that are released during base incorporation. Likewise, the third generation takes into account nanotechnology advancements for the processing of unique DNA molecules to a real time synthesis sequencing system like PacBio; and finally, the NANOPORE, projected since 1995, also uses Nano-sensors forming channels obtained from bacteria that conducts the sample to a sensor that allows the detection of each nucleotide residue in the DNA strand. The advancements in terms of technology that we have nowadays have been so quick, that it makes wonder: ¿How do we imagine the next generation?

Computationally-guided thermostabilization of the primary endoglucanase from Hypocrea jecorina for cellulosic biofuel production

The creation of thermostable enzymes has wide-ranging applications in industrial, scientific, and pharmaceutical settings. As various stabilization techniques exist, it is often unclear how to best proceed. To this end, we have redesigned Cel5A (HjCel5A) from Hypocrea jecorina (anamorph Trichoderma reesei) to comparatively evaluate several significantly divergent stabilization methods: 1) consensus design, 2) core repacking, 3) helix dipole stabilization, 4) FoldX ΔΔG approximations, 5) Triad ΔΔG approximations, and 6) entropy reduction through backbone stabilization. As several of these techniques require structural data, we initially solved the first crystal structure of HjCel5A to 2.05 Å. Results from the stabilization experiments demonstrate that consensus design works best at accurately predicting highly stabilizing and active mutations. FoldX and helix dipole stabilization, however, also performed well. Both methods rely on structural data and can reveal non-conserved, structure-dependent mutations with high fidelity. HjCel5A is a prime target for stabilization. Capable of cleaving cellulose strands from agricultural waste into fermentable sugars, this protein functions as the primary endoglucanase in an organism commonly used in the sustainable biofuels industry. Creating a long-lived, highly active thermostable HjCel5A would allow cellulose hydrolysis to proceed more efficiently, lowering production expenses. We employed information gleaned during the survey of stabilization techniques to generate HjCel5A variants demonstrating a 12-15 °C increase in the temperature at which 50% of the total activity persists, an 11-14 °C increase in optimal operating temperature, and a 60% increase over the maximal amount of hydrolysis achievable using the wild type enzyme. We anticipate that our comparative analysis of stabilization methods will prove useful in future thermostabilization experiments.

Structural characterization and comparative analysis of human and piscine cartilage acidic protein (CRTAC1/CRTAC2)

Dissertação de mestrado, Biotecnologia, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2014

Desempenho de juvenis de tilápia-do-nilo alimentados com rações contendo complexo enzimático

Avaliou-se o efeito da inclusão de um complexo enzimático em dietas para tilápias-do-nilo (Oreochromis niloticus) sobre o desempenho, a composição química da carcaça e a qualidade da água. Foram utilizados 200 alevinos revertidos (4,57 ± 1,24 g), distribuídos em delineamento inteiramente casualizado em 20 tanques de 500 litros, com quatro tratamentos e cinco repetições, considerando a unidade experimental uma caixa com dez peixes. Os peixes foram alimentados com dietas contendo 0; 0,033; 0,066 ou 0,099% de complexo enzimático. As dietas foram processadas na forma peletizada e fornecidas quatro vezes ao dia, às 8, 11, 14 e 17 h. Os valores médios de pH, condutividade elétrica, oxigênio dissolvido, temperatura, fósforo total, amônia e nitrato da água de cultivo não foram influenciados pela dieta. A inclusão do complexo enzimático na dieta não afetou o ganho de peso, as taxas de sobrevivência e de crescimento específico, mas influenciou o consumo de ração e a conversão alimentar, cujos valores foram maiores nos peixes alimentados com a dieta com 0,066% de complexo enzimático. Não foram observadas diferenças nos teores de matéria seca, umidade, proteína bruta, matéria mineral, cálcio e fósforo na carcaça dos peixes, no entanto, o teor de extrato etéreo reduziu de forma linear com o aumento do nível de complexo enzimático. A utilização de complexo enzimático (amilase, protease, celulase, lipase, pectinase, xilanase, β-glucanase e fitase) no nível de 0,066% em dietas para juvenis de tilápia-do-nilo piora a conversão alimentar, mas não influencia o desempenho e a composição corporal dos peixes.

Enzyme Optimization for Lignocellulose Hydrolysis using Mechanistic Modeling

A novel mechanistic model for the saccharification of cellulose and hemicellulose is utilized to predict the products of hydrolysis over a range of enzyme loadings and times. The mechanistic model considers the morphology of the substrate and the kinetics of enzymes to optimize enzyme concentrations for the enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicellulose simultaneously. Substrates are modeled based on their fraction of accessible sites, glucan content, xylan content, and degree of polymerizations. This enzyme optimization model takes into account the kinetics of six core enzymes for lignocellulose hydrolysis: endoglucanase I (EG1), cellobiohydrolase I (CBH1), cellobiohydrolase II (CBH2), and endo-xylanase (EX) from Trichoderma reesei; β-glucosidase (BG), and β-xylosidase (BX) from Aspergillus niger. The model employs the synergistic action of these enzymes to predict optimum enzyme concentrations for hydrolysis of Avicel and ammonia fiber explosion (AFEX) pretreated corn stover. Glucan, glucan + xylan, glucose and glucose + xylose conversion predictions are given over a range of mass fractions of enzymes, and a range of enzyme loadings. Simulation results are compared with optimizations using statistically designed experiments. BG and BX are modeled in solution at later time points to predict the effect on glucose conversion and xylose conversion.