Fermentative production of glycine betaine and trehalose from acid whey using Actinopolyspora halophila (MTCC 263)

Acid whey has become a major concern especially in dairy industry manufacturing Greek yoghurt. Proper disposal of acid whey is essential as it not only increases the BOD of water but also increases the acidity when disposed of in landfill, rendering soil barren and unsuitable for cultivation. Effluent (acid-whey) treatment increases the cost of production. The vast quantities of acid whey that are produced by the dairy industry make the treatment and safe disposal of effluent very difficult. Hence an economical way to handle this problem is very important. Biogenic glycine betaine and trehalose have many applications in food and confectionery industry, medicine, bioprocess industry, agriculture, genetic engineering, and animal feeds (etc.), hence their production is of industrial importance. Here we used the extreme, obligate halophile Actinopolyspora halophila (MTCC 263) for fermentative production of glycine betaine and trehalose from acid whey. Maximum yields were obtained by implementation of a sequential media optimization process, identification and addition of rate-limiting enzyme cofactors via a bioinformatics approach, and manipulation of nitrogen substrate supply. The implications of using glycine as a precursor were also investigated. The core factors that affected production were identified and then optimized using orthogonal array design followed by response surface methodology. The maximum production achieved after complete optimization was 9.07 ± 0.25 g/L and 2.49 ± 0.14 g/L for glycine betaine and trehalose, respectively.

A potentiometric biosensor for rapid on-site disease diagnostics

Quantitative point-of-care (POC) devices are the next generation for serological disease diagnosis. Whilst pathogen serology is typically performed by centralized laboratories using Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay (ELISA), faster on-site diagnosis would infer improved disease management and treatment decisions. Using the model pathogen Bovine Herpes Virus-1 (BHV-1) this study employs an extended-gate field-effect transistor (FET) for direct potentiometric serological diagnosis. BHV-1 is a major viral pathogen of Bovine Respiratory Disease (BRD), the leading cause of economic loss ($2 billion annually in the US only) to the cattle and dairy industry. To demonstrate the sensor capabilities as a diagnostic tool, BHV-1 viral protein gE was expressed and immobilized on the sensor surface to serve as a capture antigen for a BHV-1-specific antibody (anti-gE), produced in cattle in response to viral infection. The gE-coated immunosensor was shown to be highly sensitive and selective to anti-gE present in commercially available anti-BHV-1 antiserum and in real serum samples from cattle with results being in excellent agreement with Surface Plasmon Resonance (SPR) and ELISA. The FET sensor is significantly faster than ELISA (<10 min), a crucial factor for successful disease intervention. This sensor technology is versatile, amenable to multiplexing, easily integrated to POC devices, and has the potential to impact a wide range of human and animal diseases.

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.

Tratamento de superfícies metálicas por nanotecnologia

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica

Dimensionamento de uma central de miniprodução fotovoltaica para uma exploração agrícola direcionada à indústria de laticínios

Este documento apresenta o trabalho desenvolvido no âmbito da disciplina de “Dissertação/Projeto/Estágio”, do 2º ano do Mestrado em Energias Sustentáveis. O crescente consumo energético das sociedades desenvolvidas e emergentes, associado ao consequente aumento dos custos de energia e dos danos ambientais resultantes, promove o desenvolvimento de novas formas de produção de energia, as quais têm como prioridade a sua obtenção ao menor custo possível e com reduzidos impactos ambientais. De modo a poupar os recursos naturais e reduzir a emissão com gases de efeito de estufa, é necessária a diminuição do consumo de energia produzida a partir de combustíveis fósseis. Assim, devem ser criadas alternativas para um futuro sustentável, onde as fontes renováveis de energia assumam um papel fundamental. Neste sentido, a produção de energia elétrica, através de sistemas solares fotovoltaicos, surge como uma das soluções. A presente dissertação tem como principal objetivo a realização do dimensionamento de uma central de miniprodução fotovoltaica, com ligação à rede elétrica, em uma exploração agrícola direcionada à indústria de laticínios, e o seu respetivo estudo de viabilidade económica. A exploração agrícola, que serve de objeto de estudo, está localizada na Ilha Graciosa, Açores, sendo a potência máxima a injetar na Rede Elétrica de Serviço Público, pela central de miniprodução, de 10 kW. Para o dimensionamento foi utilizado um software apropriado e reconhecido na área da produção de energia elétrica através de sistemas fotovoltaicos – o PVsyst –, compreendendo as seguintes etapas: a) definição das caraterísticas do local e do projeto; b) seleção dos módulos fotovoltaicos; c) seleção do inversor; d) definição da potência de ligação à rede elétrica da unidade de miniprodução. Posteriormente, foram estudadas diferentes hipóteses de sistemas fotovoltaicos, que se distinguem na opção de estrutura de fixação utilizada: dois sistemas fixos e dois com eixo incorporado. No estudo de viabilidade económica foram realizadas duas análises distintas a cada um dos sistemas fotovoltaicos considerados no dimensionamento, nomeadamente: uma análise em regime remuneratório bonificado e uma análise em regime remuneratório geral. Os resultados obtidos nos indicadores económicos do estudo de viabilidade económica realizado, serviram de apoio à decisão pelo sistema fotovoltaico mais favorável ao investimento. Conclui-se que o sistema fotovoltaico com inclinação adicional é a opção mais vantajosa em ambos os regimes remuneratórios analisados. Comprova-se, assim, que o sistema fotovoltaico com maior valor de produção de energia elétrica anual, que corresponde ao sistema fotovoltaico de dois eixos, não é a opção com maior rentabilidade em termos económicos, isto porque a remuneração proveniente da sua produção excedente não é suficiente para colmatar o valor do investimento mais acentuado de modo a obter indicadores económicos mais favoráveis, que os do sistema fotovoltaico com inclinação adicional. De acordo com o estudo de viabilidade económica efetuado independentemente do sistema fotovoltaico que seja adotado, é recuperado o investimento realizado, sendo a remuneração efetiva superior à que foi exigida. Assim, mesmo tendo em consideração o risco associado, comprova-se que todos os sistemas fotovoltaicos, em qualquer dos regimes remuneratórios, correspondem a investimentos rentáveis.

Excrétion nasale et réponse sérologique à Mycoplasma bovis chez les génisses de remplacement de 0 à 7 mois d'âge dans 4 troupeaux laitiers au Québec: Étude de cohortes

En Amérique du Nord, Mycoplasma bovis est le plus pathogène des mycoplasmes retrouvés chez les bovins. Les principales maladies qu’on lui associe (maladies respiratoires, mammites, arthrites septiques et otites moyennes et/ou internes) constituent un défi à l’industrie laitière à cause de la difficulté à les traiter et à les prévenir par une vaccination. L’objectif principal de ce projet était d’étudier l’excrétion nasale et la réponse sérologique à M. bovis chez les génisses de remplacement, entre la naissance et 7 mois d’âge, dans 4 troupeaux laitiers au Québec. Quatre-vingt-trois paires mère/génisse provenant de 4 cohortes de bovins laitiers étaient prélevées mensuellement (génisses : 0 à 7 mois ; mères : 0, 1 et 5 mois après vêlage). Écouvillons nasaux et échantillons de lait étaient analysés par culture bactériologique et par immunofluorescence indirecte. Les anticorps circulants étaient détectés par le test ELISA. À la naissance, la prévalence sérologique des génisses était supérieure à celle des mères (P = 0,01). La transmission de M. bovis aux génisses par le lait et par l’excrétion nasale des mères était faible. L’âge moyen (jour) d’une génisse à sa 1ère excrétion nasale et sa 1ère séroconversion à M. bovis était loin de la période néonatale: 77,5 ± 11,2 (n = 22) et 96,8 ± 7,4 (n = 36) respectivement. Conclusion, les vaches adultes n’ont constitué qu’une voie mineure de transmission de M. bovis aux génisses, la principale voie de transmission était fort probablement le contact direct ou indirect avec d’autres génisses excrétrices nasales de M. bovis.

Effet d'un traitement intra-utérin de céphapirine sur les performances en reproduction des vaches laitières

La reproduction est un pilier majeur de la productivité des fermes laitières. Dans ce contexte, il est pertinent d’identifier à l’avance les animaux à risque d’avoir des performances en reproduction sous-optimales, surtout si un traitement efficace est disponible pour améliorer ces performances. Les endométrites clinique et subclinique sont des conditions définies selon leur impact sur les performances en reproduction subséquentes et donc, des outils très intéressants de surveillance de la santé utérine. Le premier objectif de cette étude était de déterminer simultanément des seuils diagnostiques pour les endométrites clinique (diagnostiquée par le Metricheck) et subclinique (diagnostiquée par la cytologie endométriale ou par l’estérase leucocytaire) selon leur impact sur les performances en reproduction à la première saillie. L’écoulement vaginal purulent a été identifié comme seuil pour l’endométrite clinique, alors que les seuils identifiés pour l’endométrite subclinique ont été un pourcentage de polymorphonucléaires de 6% à la cytologie et une « forte quantité de leucocytes » à l’estérase leucocytaire. Le second objectif de l’étude était d’évaluer l’effet d’un traitement intra-utérin de céphapirine sur les performances à la première saillie des animaux sains et atteints d’endométrite. Aucun effet du traitement n’a été observé chez les vaches saines ou atteintes d’endométrite clinique, alors qu’une tendance à l’amélioration des performances a été associée au traitement chez celles atteintes d’endométrite subclinique. L’anovulation post-partum prolongée pourrait altérer l’efficacité du traitement de céphapirine, surtout chez les vaches atteintes d’endométrite clinique.

¿Cómo convertir el sector lácteo colombiano en un sector de clase mundial?

Esta investigación pretende a partir de un estudio de la estructura, comportamiento y cadena de valor del sector lácteo colombiano, identificar las dinámicas, características y variables claves para transformar el modelo actual bajo el cual se desarrollan sus actividades y lograr que éste se convierta en un sector competitivo a nivel internacional. Para ello, se realizará un diagnóstico de dos países líderes mundiales en producción y exportación de lácteos, a partir de los cuales se pretende hacer una identificación de las mejores prácticas que los han llevado a obtener tal liderazgo y estudiar su adaptación al caso colombiano. Finalmente, se identificará el problema central que ha impedido al sector alcanzar los niveles de importancia de los principales jugadores en el mercado mundial y mediante la metodología del marco lógico se establecerá la agenda estratégica que llevará al sector a ser un sector de clase mundial.

Estudio de pre factibilidad para el montaje de un tanque de enfriamiento de leche en el municipio de Machetá, Cundinamarca

Este proyecto hace parte del Convenio suscrito entre El Colegio Mayor de Nuestra Señora del Rosario y la Gobernación de Cundinamarca, para adelantar el proyecto de “Municipio Saludables como Polo de Desarrollo Local (MSPDL)”, cuyo objetivo general es mejorar la calidad de vida de los habitantes de tres (3) municipios escogidos por la Gobernación de Cundinamarca: Mesitas de El Colegio, ubicado en la Provincia del Tequendama, Sesquilé y Machetá, ubicados en la Provincia de Almeidas. En el desarrollo del proyecto la Facultad de Administración de la Universidad del Rosario encontró en el municipio de Machetà, la Asociación “Vuestra Honrosa Labranza, asociación, formada por miembros de tres (3) veredas en el municipio. En las visitas realizadas al municipio y en las charlas sostenidas con algunos de los socios, manifestaron interés por la implementación del proyecto en su asociación. En reuniones y conversaciones sostenidas con el Secretario de Desarrollo Social de la Gobernación de Cundinamarca, en los que se han presentado varios informes de avance del proyecto Municipio Saludable como Polo de Desarrollo Local (MSPDL), se comentó explícitamente la problemática planteada por la Asociación Vuestra Honrosa Labranza”, con el fin de conseguir una forma para apoyarlos, con el montaje de un tanque de enfriamiento de leche. Para el desarrollo del estudio de Pre factibilidad del montaje de un tanque para el enfriamiento de la leche, se desarrollaran los capítulos de mercado, técnico, administrativo, legal, ambiental y financiero, con el fin de evaluar si esta información es suficiente y decidir si la idea del proyecto es viable o no.

Prediction of coagulation properties, titratable acidity and pH of bovine milk using mid-infrared spectroscopy

This study investigated the potential application of mid-infrared spectroscopy (MIR 4,000–900 cm−1) for the determination of milk coagulation properties (MCP), titratable acidity (TA), and pH in Brown Swiss milk samples (n = 1,064). Because MCP directly influence the efficiency of the cheese-making process, there is strong industrial interest in developing a rapid method for their assessment. Currently, the determination of MCP involves time-consuming laboratory-based measurements, and it is not feasible to carry out these measurements on the large numbers of milk samples associated with milk recording programs. Mid-infrared spectroscopy is an objective and nondestructive technique providing rapid real-time analysis of food compositional and quality parameters. Analysis of milk rennet coagulation time (RCT, min), curd firmness (a30, mm), TA (SH°/50 mL; SH° = Soxhlet-Henkel degree), and pH was carried out, and MIR data were recorded over the spectral range of 4,000 to 900 cm−1. Models were developed by partial least squares regression using untreated and pretreated spectra. The MCP, TA, and pH prediction models were improved by using the combined spectral ranges of 1,600 to 900 cm−1, 3,040 to 1,700 cm−1, and 4,000 to 3,470 cm−1. The root mean square errors of cross-validation for the developed models were 2.36 min (RCT, range 24.9 min), 6.86 mm (a30, range 58 mm), 0.25 SH°/50 mL (TA, range 3.58 SH°/50 mL), and 0.07 (pH, range 1.15). The most successfully predicted attributes were TA, RCT, and pH. The model for the prediction of TA provided approximate prediction (R2 = 0.66), whereas the predictive models developed for RCT and pH could discriminate between high and low values (R2 = 0.59 to 0.62). It was concluded that, although the models require further development to improve their accuracy before their application in industry, MIR spectroscopy has potential application for the assessment of RCT, TA, and pH during routine milk analysis in the dairy industry. The implementation of such models could be a means of improving MCP through phenotypic-based selection programs and to amend milk payment systems to incorporate MCP into their payment criteria.

Relationship between the somatic cell count in raw milk and the casein fractions of UHT milk

The relationship between somatic cell count (SCC) in raw milk and casein fractions of 15 batches of the corresponding ultra-high-temperature (UHT) milk was examined. Raw milk was collected, pasteurised and submitted to UHT treatment. Samples of the UHT milk were taken on days 8, 30, 60, 90 and 120 of storage at room temperature and their casein fractions analysed by high performance liquid chromatography. SCC ranged from 197,000 to 800,000 cells/mL. No correlation (p>0.05) was found between SCC and K-casein concentrations in raw or UHT milks. The alpha(s2) and P-casein concentrations in raw milk were negatively correlated with SCC (p<0.05). In UHT milk, negative correlations were observed for a,1-casein (p<0.05) and beta-casein (p<0.05) on the 8th day, and for alpha S-2-casein (p<0.01) on the 60th day of storage. Results indicate that higher SSC in raw milk is associated with substantial degradation of beta-casein and alpha(s)-casein, which may lead to quality defects in UHT milk during storage. Aust. J. Dairy Technol. 63, 45-49

Efeito dos nutrientes (nitrogênio e fósforo) sobre o desenvolvimento da Gracilaria birdiae: crescimento e possível uso como biofiltro

Marine shrimp farming has grown exponentially during the last years in Brazil. In spite of the promising economical situation, this activity is facing an increasing criticism due to its environmental impact. Thus, the necessity of alternatives to mitigate environmental degradation caused by this activity. An alternative that is being studied is the policulture that is the integrated culture of two or more organisms, normally one of them a filtering organism. Among filtering organisms, macroalgae are very practicable because they are efficient in the removal of the exceeding nutrients of the water and do not leave residues in the water. Besides, the integrated culture with macroalgae allows the economical exploration of the seaweed (for the manufacture of jelly and jam, for the dairy industry, pharmaceuticals, etc.) along with possibility of a sustainable aquaculture. In the present experiment, the development of the seaweed Gracilaria birdiae, the influence and tolerance of this species to the environmental parameters, and its absorption efficiency in relation with the three kinds of macronutrients (NH4+, NO3- and PO4-3) found in the effluents of marine shrimp farming was studied. The experiment was divided in two parts: a laboratorial part and one part carried under natural conditions. The water used in the laboratory trial was collected in the shrimp ponds of Tecnarão farm and distributed in aquaria containing 20 g of G. birdiae. In the field trial, 0.5 kg of G. birdiae was inserted in PVC cages cultivated in the farm. The results of the study showed a modest growth of G. birdiae, probably due to its low tolerance to highly eutrophicated environments. However, the removal of nutrients was very expressive. Ammonia was reduced in approximately 34 %. Ortho-phosphate showed a reduction of 93.5 %. The capacity of biofiltration of the NO3- by the macro algae was of 100 %, showing that G. birdiae is a seaweed-filtered with a high level of removal for this nutrient under laboratorial conditions. In spite of the low growth of the macro algae in the experiment, the results in relation to the removal of nutrients of the water was encouraging, suggesting that this species can be an efficient biofilter and thus, a strong candidate to be used in a sustainable aquaculture

Variação das características físico-químicas e microbiológicas das salmouras empregadas na salga de queijos tipo mussarela durante o período de sua utilização

Foram analisadas 40 amostras de salmouras empregadas na salga por submersão de queijos tipo mussarela, em uma indústria de laticínios do Estado de São Paulo, Brasil, com o objetivo de se conhecer a variação das características físico-químicas e microbiológicas durante o período de sua utilização. Os valores médios do pH, concentração de cloreto de sódio e de proteínas solúveis, desde o preparo da salmoura até o 21° dia de utilização, variaram de 7,21 a 5,76, 27,1 a 24,5 e de zero a 0,126 mg/ml, respectivamente. Por outro lado, os valores médios das contagens de microrganismos mesófilos e do número mais provável de coliformes totais e de origem fecal variaram de 5,8 x 10 UFC/ml a 6,9 x 10(4) UFC/ml, zero a 1,6 x 10(5)/100ml e zero a 1,1 x 10(5)/100ml, respectivamente. Além disso, os valores médios das contagens de bolores e leveduras e de Staphylococcus coagulase positiva, variaram de 0,4 x 10 UFC/ml a 2,0 x 10³ UFC/ml e de zero a 1,3 x 10 UFC/ml, respectivamente. Os resultados encontrados sugerem a existência de condições higiênicas inadequadas durante o preparo e utilização das salmouras, de modo a representar uma importante fonte de contaminação para os queijos. em decorrência deste fato, existe a possibilidade do comprometimento da qualidade dos queijos, de modo a representar risco potencial à população consumidora.

Genetic parameter estimates for buffalo milk yield, milk quality and mozzarella production and Bayesian inference analysis of their relationships

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Levantamento exploratório da composição e frações proteicas do leite bovino em propriedades leiteras

The direct relationship with the processing, industrial yield and price of milk, the importance of the centesimal composition of milk and their protein fractions has increased for both the dairy industry and for the producers, so it is important to identify the possible causes on variation of these components. The aim of this study was to evaluate the effect of the seasons, order of calving and lactation phase on milk composition and protein fractions in dairy farms in the Agreste and Leste meso-regions, of Rio Grande do Norte State (RN). Milk samples were taken in seven milk farms directly from the bulk tanks except for one farm where samples were taken from higher milking cows producers and heifers. The experiment was done in seven properties with milk samples taken directly from the bulk tanks and in one property were collected from higher production cows and heifers. Composition analyses were carried out for both experiments and sensorial trial was performed for the second experiment only. The data results were submitted to analysis of variance (ANOVA) and Tukey test performed for 5% significance level. In the first experiment was observed response of the seasons, dry and rainy season; while in the second, the effect of the order of calving and lactation phase had influence on milk composition and protein fractions. There was significant response (p < 0.05) for season effects but due to farms. The rainy season had higher averages in the protein, lactose, total solids and nonfat dry extract. Multiparous cows had higher CCS, NUL and PCAS milk contents; while, first calving heifers showed higher average for the sensory attribute, color of milk. The final third of lactation was responsible for the elevation of the levels of almost all milk components and their protein fractions