Enrichment of a PHA producing microbial community in a continuous bioreactor setup

Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are biosynthetic polyesters, biodegradable and biocompatible making them of great interest for industrial purposes. The use of low value substrates with mixed microbial communities (MMC) is a strategy currently used to decrease the elevated PHA production costs. PHA production process requires an important step for selection and enrichment of PHA-storing microorganisms which is usually carried out in a Sequencing Batch Reactor (SBR). The aim of this study was to optimize the PHA accumulating culture selection stage using a 2-stage Continuous Stirrer Tank Reactor (CSTR) system. The system was composed by two separate feast and famine bioreactors operated continuously, mimicking the feast and famine phases in a SBR system. Acetate was used as carbon source and biomass seed was highly enriched in Plasticicumulans acidivorans obtained from activated sludge. The system was operated under two different sets of conditions (setup 1 and 2), maintaining a system total retention time of 12 hours and an OLR of 2.25 Cmmol/L.h-1. An average PHB-content of 3.3 % wt was obtained in setup 1 and 4.8% wt in setup 2. Several other experiments were performed in order to better understand the continuous system behaviour, using biomass from the continuous system. With the fed-batch experiment a maximum of 8.1% PHB was stored and the maximum substrate uptake and specific growth rates obtained in the growth experiment (1.15 Cmol Cmol-1.h-1 and 0.53 Cmol Cmol-1.h-1) were close to the ones from continuous system (1.12 Cmol Cmol-1.h-1 and 0.59 Cmol Cmol-1.h-1). The microbial community was characterized trough microscopic visualization, Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) analysis and Fluorescent in situ hybridization (FISH). The last studied performed mimicked the continuous system by building up a SBR system with all the same operational conditions while adding an extra acetate dosage during the 12 h cycle, simulating the substrate passing from the feast to the famine reactors under continuous operation. It was shown that possibly the continuous system was not able to efficiently select for PHB storing organisms under the operational conditions imposed, although the selected culture was capable of consuming the substrate and grow fast. This main conclusion might have resulted from two major factors affecting the system performance: the ammonium concentration in the Feast reactor and the amount of substrate leaching from the Feast to the Famine reactor.

Conceção, simulação e validação experimental de sondas de correntes induzidas para ensaios não destrutivos de geometrias tubulares

Os Ensaios Não destrutivos de (END) por Correntes Induzidas (CI) são uma das principais técnicas utilizadas na inspeção de tubagens, nomeadamente em caldeiras e permutadores de calor. Apesar de ser uma técnica comum e com muitos anos de experiência acumulada, existem algumas condições onde persistem dificuldades, como é o caso da deteção de micro defeitos com orientação tangencial. Por outro lado, assiste-se atualmente a uma exigência cada vez maior do ponto de vista da fiabilidade dos sistemas e sondas de CI. Um exemplo particular dessa exigência é a inspeção de um perfil com geometria tubular em aço inox 316LN (JK2LB), o qual constitui as bobinas poloidais do International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). O objetivo central deste trabalho foi desenvolver e validar experimentalmente diferentes tipos de sondas de CI para a deteção de micro defeitos no interior de componentes de geometria tubular, com vista a reduzir o limiar de detetabilidade dos defeitos com orientação tangencial, e assim aumentar a fiabilidade de inspeção. Foram concebidas, produzidas e validadas experimentalmente quatro novas sondas de CI e foram replicadas três configurações já existentes. Foram realizadas simulações numéricas das diferentes sondas, sob diferentes condições de inspeção e criaram-se os meios laboratoriais adequados para a realização dos END. Os resultados experimentais mostraram que as novas sondas desenvolvidas permitem detetar com clareza defeitos tangenciais com 2 mm de comprimento e 0.5 mm de profundidade, o que está claramente abaixo do limiar de detetabilidade das sondas convencionais constituídas por bobinas toroidais. As simulações numéricas permitiram descrever e caracterizar com sucesso alguns fenómenos elétricos e magnéticos envolvidos no funcionamento das sondas. Em termos genéricos, foi estabelecido um importante conhecimento processual dos END por CI de geometrias tubulares.

Progressão da circulação do vírus do dengue no Estado da Bahia, 1994-2000

INTRODUÇÃO: A força da reemergência do vírus do dengue e a gravidade destas infecções colocaram esta doença na agenda de prioridades das instituições responsáveis pela proteção à saúde das populações. Aspecto importante para a compreensão da epidemiologia do dengue nos dias atuais refere-se ao conhecimento dos padrões da difusão espaço-temporal, entretanto são escassas as investigações que abordam esta questão. Este estudo descreve o processo de difusão do dengue no estado da Bahia, de 1994 a 2000. MÉTODOS: Trata-se de estudo ecológico espaço-temporal, tendo como unidades de análise município, semana epidemiológica, mês, trimestre e ano. Procedeu-se construção da curva de tendência e realizou-se mapeamento seqüencial da ocorrência de dengue por município para o período. RESULTADOS: Foram notificados 164.050 casos de dengue e a introdução desse vírus na Bahia, diferentemente de outros estados, se deu por um município de pequeno porte, constatando-se intermitência temporal e espacial nos registros de casos no início desta epidemia. Contudo, a partir de 1995 o processo de difusão da doença se deu de forma rápida e intensa. O vírus circulou em todas as zonas climáticas do estado o que revela o seu elevado poder de transmissão. A maior intensidade de detecção de casos e expansão territorial foi nas regiões úmidas e semi-úmidas do litoral, ideais para a sobrevivência e proliferação do vetor, e também, por serem mais densamente povoadas. CONCLUSÕES: Hipoteticamente, o padrão espaço-temporal intermitente de detecção de casos observado inicialmente, poderia permitir o controle da progressão da epidemia, caso houvesse ações de combate vetorial estruturadas.

Avaliação de tecnologias de redução de volume das lamas produzidas em ETAR

O adequado tratamento da água residual revela-se de extrema importância na preservação dos recursos naturais e da qualidade de vida. Esse tratamento é caracterizado pela produção de subprodutos que incluem resíduos removidos da água residual e lama produzida no tratamento da mesma. Ao longo do tempo, as directrizes europeias têm vindo a ser cada vez mais restritivas quanto aos valores limite que determinam a qualidade de emissão da água residual ou de deposição da lama, por forma a minimizar os impactes negativos no local de recepção dos mesmos e redução dos custos de transporte, no caso da lama, pelo que a ETAR deve ser planeada de forma a garantir o cumprimento da legislação em vigor, de acordo com a qualidade da água residual afluente à estação. O tratamento na estação divide-se em linha de fase líquida e sólida. No tratamento convencional da fase sólida, a lama é tratada segundo a sequência de etapas espessamento, estabilização e desidratação. Nesta dissertação será dada especial relevância à linha de fase sólida, com o intuito de apresentar, caracterizar e comparar as tecnologias (além do tratamento convencional) que se encontram em fase experimental ou já implantadas em ETAR e têm como objectivo a redução do volume da lama produzida. Será desenvolvida uma aplicação informática de apoio à decisão quanto à tecnologia indicada, de acordo com as variáveis seleccionadas pelo utilizador. As tecnologias dividem-se em: processos biológicos, hidrólise, oxidação avançada, química, térmica e mecânica. Nos biológicos a redução do volume da lama pode ser garantida pela predação dos microrganismos, pela manutenção/inibição do metabolismo e pela alteração/introdução de um reactor biológico na estação. A hidrólise é optimizada após doseamento de enzimas ou por aumento da temperatura. A oxidação avançada é caracterizada pelas tecnologias de ozonização, processo de Fenton, oxidação por ar húmido e oxidação electroquímica. A tecnologia química depende da adição de reagente ácido, alcalino ou outro. A tecnologia mecânica abrange a sonificação, o moinho de rotação, o reactor de homogeneização, a aplicação de campo eléctrico, a aplicação de radiação gama, recurso a técnicas centrífugas e aplicação de pressão na lama. A elevação da temperatura de reacção por meio convencional, por aplicação de radiação de micro-ondas ou garantindo o ciclo de congelamento/aquecimento pertencem à tecnologia térmica. Estas tecnologias podem ser aplicadas numa fase anterior ou posterior da estabilização da lama por forma a melhorar a biodegradabilidade dos compostos orgânicos e reduzir o número de microrganismos viáveis. As tecnologias actuam por meio de libertação de energia, radiação ou pressão no sentido de garantir os objectivos descritos e podem ser aplicadas individualmente ou combinadas (sistema híbrido). Assim o consumo energético, o incremento de matéria orgânica e a capacidade de redução da quantidade de lama são factores que devem ser considerados na escolha da melhor tecnologia que se adequa a cada ETAR.

Desenvolvimento de membranas catalíticas ácidas para a metanólise do ácido palmítico: estudo do efeito da reticulação

A produção de biodiesel tem sido afectada, ao nível dos custos de produção, pela falta de matérias-primas adequadas que não entrem em competição com a indústria alimentar. A matéria-prima original para a produção de biodiesel é o óleo de soja alimentar, porém a sua utilização origina problemas significativos a nível político e económico. Desta forma, a indústria do biodiesel encontra-se empenhada na modificação para matériasprimas alternativas e de baixo custo. Contudo, estas matérias-primas apresentam elevados níveis de ácidos gordos livres, sendo por isso necessária a eliminação dos ácidos gordos livres. Neste trabalho experimental é proposta a metanólise do ácido palmítico catalisada por membranas poliméricas catalíticas ácidas, utilizadas num reactor de membrana com pervaporação simultânea. Este processo é uma alternativa á destilação reactiva visto que permite a integração da reacção e da separação numa única operação, pelo que é possível a optimização energética, a maximização da conversão e a eliminação de solventes de extracção. Foi efectuado o estudo cinético da reacção de esterificação catalisada pelo catalisador KIT-6 sulfonado. Este catalisador foi caracterizado por titulação ácido-base. Prepararam-se membranas catalíticas compósitas por dispersão do KIT-6 sulfonado em matrizes de poli(álcool vinílico) reticulado com glutaraldeído ou hexametilenodiisocianato. As membranas foram caracterizadas por medição de ângulos de contacto, percentagem de inchamento e por FTIR. Os efeitos do tipo de reticulante e da percentagem de reticulação nas propriedades de transporte e de sorção das membranas, foram estudados em reactor bacth, com as membranas cortadas em pedaços. Os elevados períodos de indução apresentados pelas curvas cinéticas obtidas sugerem que a água formada na reacção afecta de forma pronunciada as propriedades de transporte das membranas. Esta hipótese foi suportada pelo bom ajuste dum modelo cinético-difusional aos pontos experimentais. Por fim, foi testada uma membrana em reactor de membrana com pervaporação simultânea, utilizando azoto seco como gás de varrimento.

The thermal effects on the methanol-to-olefins reaction: A modelling and experimental approach

With the projection of an increasing world population, hand-in-hand with a journey towards a bigger number of developed countries, further demand on basic chemical building blocks, as ethylene and propylene, has to be properly addressed in the next decades. The methanol-to-olefins (MTO) is an interesting reaction to produce those alkenes using coal, gas or alternative sources, like biomass, through syngas as a source for the production of methanol. This technology has been widely applied since 1985 and most of the processes are making use of zeolites as catalysts, particularly ZSM-5. Although its selectivity is not especially biased over light olefins, it resists to a quick deactivation by coke deposition, making it quite attractive when it comes to industrial environments; nevertheless, this is a highly exothermic reaction, which is hard to control and to anticipate problems, such as temperature runaways or hot-spots, inside the catalytic bed. The main focus of this project is to study those temperature effects, by addressing both experimental, where the catalytic performance and the temperature profiles are studied, and modelling fronts, which consists in a five step strategy to predict the weight fractions and activity. The mind-set of catalytic testing is present in all the developed assays. It was verified that the selectivity towards light olefins increases with temperature, although this also leads to a much faster catalyst deactivation. To oppose this effect, experiments were carried using a diluted bed, having been able to increase the catalyst lifetime between 32% and 47%. Additionally, experiments with three thermocouples placed inside the catalytic bed were performed, analysing the deactivation wave and the peaks of temperature throughout the bed. Regeneration was done between consecutive runs and it was concluded that this action can be a powerful means to increase the catalyst lifetime, maintaining a constant selectivity towards light olefins, by losing acid strength in a steam stabilised zeolitic structure. On the other hand, developments on the other approach lead to the construction of a raw basic model, able to predict weight fractions, that should be tuned to be a tool for deactivation and temperature profiles prediction.

Valorization of olive pomace through combination of biocatalysis with supercritical fluid technology

A supercritical carbon dioxide (scCO2) based oil extraction method was implemented on olive pomace (alperujo), and an oil yield of 25,5 +/- 0,8% (goil/gdry residue) was obtained. By Soxhlet extraction with hexane, an oil extraction yield of 28,9 +/- 0,8 % was obtained, which corresponds to an efficiency of 88,4 +/- 4,8 % for the supercritical method. The scCO2 extraction process was optimized for operating conditions of 50 MPa and 348,15 K, for which an oil loading of 32,60 g oil/kg CO2 was calculated. As a proof of concept, olive pomace was used as feedstock for biodiesel production, in a process combining the use of lipase as a catalyst with the use of scCO2 as a solvent, and integrating the steps of oil extraction, oil to biodiesel transesterification and subsequent separation of the latter. In the conducted experiments, FAME (fatty acid methyl ester) purities of 90% were obtained, with the following operating parameters: an oil:methanol molar ratio of 1:24; a residence time of 7,33 and 11,6 mins; a pressure of 40 MPa; a temperature of 313,15 K; and Lipozyme (Mucor miehei; Sigma-Aldritch) as an enzyme. However, oscillations of FAME purity were registered throughout the experiments, which could possibly be due to methanol accumulation in the enzymatic reactor. Finally, the phenolic content of olive pomace, and the effect of the drying process – oven or freeze-drying – and the extraction methods – hydro-alcoholic method and supercritical method – on the phenolic content were analysed. It was verified that the oven-drying process on the olive pomace preserved 90,1 +/- 3,6 % of the total phenolic content. About 62,3 +/- 5,53% of the oven-dried pomace phenolic content was extracted using scCO2 at 60 MPa and 323,15 K. Seven individual phenols – hydroxytyrosol, tyrosol, oleuropein, quercetin, caffeic acid, ferulic acid and p-coumaric acid – were identified and quantified by HPLC.

Impact of carbon/nitrogen feeding strategy on polyhydroxyalkanoates production using mixed microbial cultures

Polyhydroxyalkanoates (PHA) production using mixed microbial cultures (MMC) requires a multi-stage process involving the microbial selection of PHA-storing microorganisms, typically operated in sequencing batch reactors (SBR), and an accumulation reactor. Since low-cost renewable feedstocks used as process feedstock are often nitrogen-deficient, nutrient supply in the selection stage is required to allow for microbial growth. In this context, the possibility to uncouple nitrogen supply from carbon feeding within the SBR cycle has been investigated in this study. Moreover, three different COD:N ratios (100:3.79, 100:3.03 and 100:2.43) were tested in three different runs which also allowed the study of COD:N ratio on the SBR performance. For each run, a synthetic mixture of acetic and propionic acids at an overall organic load rate of 8.5 gCOD L-1 d-1 was used as carbon feedstock, whereas ammonium sulfate was the nitrogen source in a lab-scale sequence batch reactor (SBR) with 1 L of working volume. Besides, a sludge retention time (SRT) of 1 d was used as well as a 6 h cycle length. The uncoupled feeding strategy significantly enhanced the selective pressure towards PHA-storing microorganisms, resulting in a two-fold increase in the PHA production (up to about 1.3 gCOD L-1). A high storage response was observed for the two runs with the COD:N ratios (gCOD:gN) of 100:3.79 and 100:3.03, whereas the lowest investigated nitrogen load resulted in very poor performance in terms of polymer production. In fact, strong nitrogen limitation caused fungi to grow and a very poor storage ability by microorganisms that thrived in those conditions. The COD:N ratio also affected the polymer composition, indeed the produced poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) showed a variable HV content (1-20 %, w/w) among the three runs, lessening as the COD:N increased. This clearly suggests the possibility to use the COD:N ratio as a tool for tuning polymer properties regardless the composition of the feedstock.

Coupling organic substrate removal to methane production in a fully biological microbial electrolysis cell

Microbial electrolysis cells (MECs) are an innovative and emerging technique based on the use of solid-state electrodes to stimulate microbial metabolism for wastewater treatment and simultaneous production of value-added compounds (such as methane). This research studied the performance of a two-chamber MEC in terms of organic matter oxidation (at the anode) and methane production (at the cathode). MEC‟s anode had been previously inoculated with an activated sludge, whereas the cathode chamber inoculum was an anaerobic sludge (containing methanogenic microorganisms). During the experimentation, the bioanode was continuously fed with synthetic solutions in anaerobic basal medium, at an organic load rate (OLR) of around 1 g L-1 d-1, referred to the chemical oxygen demand (COD). At the beginning (Run I), the feeding solution contained acetate and subsequently (Run II) it was replaced with a more complex solution containing soluble organic compounds other than acetate. For both conditions, the anode potential was controlled at -0.1 V vs. standard hydrogen electrode, by means of a potentiostat. During Run I, over 80% of the influent acetate was anaerobically oxidized at the anode, and the resulting electric current was recovered as methane at the cathode (with a cathode capture efficiency, CCE, accounting around 115 %). The average energy efficiency of the system (i.e., the energy captured into methane relative to the electrical energy input) under these conditions was over 170%. However, reactor‟s performance decreased over time during this run. Throughout Run II, a substrate oxidation over 60% (on COD basis) was observed. The electric current produced (57% of coulombic efficiency) was also recovered as methane, with a CCE of 90%. For this run the MEC‟s average energy efficiency accounted for almost 170 %. During all the experimentation, a very low biomass growth was observed at the anode whereas ammonium was transferred through the cationic membrane and concentrated at the cathode. Tracer experiments and scanning electron microscopy analyses were also carried out to gain a deeper insight into the reactor performance and also to investigate the possible reasons for partial loss of performance. In conclusion, this research suggests the great potential of MEC to successfully treat low-strength wastewaters, with high energy efficiency and very low sludge production.

Therapeutics bioconjugates: evaluation of iminoboronates as payload delivery system for cancer

The advent of bioconjugation impacted deeply the world of sciences and technology. New biomolecules were found, biological processes were understood, and novel methodologies were formed due to the fast expansion of this area. The possibility of creating new effective therapies for diseases like cancer is one of big applications of this now big area of study. Off target toxicity was always the problem of potent small molecules with high activity towards specific tumour targets. However, chemotherapy is now selective due to powerful linkers that connect targeting molecules with affinity to interesting biological receptors and cytotoxic drugs. This linkers must have very specific properties, such as high stability in plasma, no toxicity, no interference with ligand affinity nor drug potency, and at the same time, be able to lyse once inside the target molecule to release the therapeutic warhead. Bipolar environments between tumour intracellular and extracellular medias are usually exploited by this linkers in order to complete this goal. The work done in this thesis explores a new model for that same task, specific cancer drug delivery. Iminoboronates were studied due to its remarkable selective stability towards a wide pH range and endogenous molecules. A fluorescence probe was design to validate this model by creating an Off/On system and determine the payload release location in situ. A process was optimized to synthetize the probe 8-(1-aminoethyl)-7-hydroxy-coumarin (1) through a reductive amination reaction in a microwave reactor with 61 % yield. A method to conjugate this probe to ABBA was also optimized, obtaining the iminoboronate in good yields in mild conditions. The iminoboronate model was studied regarding its stability in several simulated biological environments and each half-life time was determined, showing the conjugate is stable most of the cases except in tumour intracellular systems. The construction of folate-ABBA-coumarin bioconjugate have been made to complete this evaluation. The ability to be uptaken by a cancer cell through endocytosis process and the conjugation delivery of coumarin fluorescence payload are two features to hope for in this construct.

Química de elementos-traço nos sedimentos do Lago do Parú (Manacapuru - Amazonas), sob influência do pulso de inundação do baixo Rio Solimões

O objetivo deste estudo foi determinar as concentrações totais e em frações geoquímicas de Fe, Mn, Co, Cu e Zn em sedimentos, coletados nos períodos de seca (2005) e cheia (2006) do Lago do Parú. Nas partículas de sedimento seco ao ar (SSA) < 45 µm foi feita uma extração seqüencial pelo método de Tessier et al. (1979) que separa os elementos nas frações geoquímicas trocável, carbonácea, oxídica, orgânica e residual. As amostras de extrato diluídas foram lidas em cada fração, por espectrometria de absorção atômica de chama, sendo que o Fe apresentou a maior concentração total e uma forte associação com óxidos. O Mn alcançou a maior fração trocável dentre os elementos, em ambas as estações analisadas. O Zn obteve uma fração trocável constante entre os dois períodos analisados. O Cu se caracterizou por apresentar forte ligação pela fração orgânica, não variando de uma estação para outra nesta fração. O Co apresentou comportamento similar ao do Cu, exceto pela fração orgânica que apresentou diferença de concentração entre os períodos, sendo maior na cheia. As análises multivariadas confirmaram que os metais foram movimentados entre as frações geoquímicas do período seco para o de cheia.

Aminobenzocoumarinylmehtyl esters as photoactive precursors for the release of butyric acid

The evaluation of the photorelease of a carboxylic acid drug, using butyric acid as a representative model, was carried out by using 7-amino-4-chloromethyl-2-oxo-2Hnaphtho[1,2-b] pyran, an aminobenzocoumarin, and its mono- and di-methylated or ethylated derivatives. This study was intended to improve the release of butyric acid from benzocoumarins by the addition of an amino group to the heterocycle by applying the knowledge of second-generation coumarinylmethyl-based photoremovable protecting groups. Photolysis studies were performed on the resultant ester cages by irradiation in a photochemical reactor at 254, 300, 350 and 419 nm, using methanol/HEPES buffer 80:20 solutions as solvent. The data obtained showed that these new fluorescent aminobenzocoumarins are superior to all the previously tested benzocoumarins with the same or different ring fusions. As well as the photolysis, the photophysics of the compounds were characterised by both steady state and time-resolved methods.

Comparison of oleate conversion under microaerophilic and anaerobic conditions

Excessive accumulation of Long Chain Fatty Acids (LCFA) in methanogenic bioreactors is the cause of process failure associated to a severe decrease in methane production. In particular, fast and persistent accumulation of palmitate is critical and still not elucidated. Aerobes or facultative anaerobes were detected in those reactors, raising new questions on LCFA biodegradation. To get insight into the influence of oxygen, two bioreactors were operated under microaerophilic and anaerobic conditions, with oleate at 1 and 4 gCOD/(L d). Palmitate accumulated up to 2 and 16 gCOD/L in the anaerobic and microaerophilic reactor, respectively, which shows the importance of oxygen in this conversion. A second experiment was designed to understand the dynamics of oleate to palmitate conversion. A CSTR and a PFR were assembled in series and fed with oleate under microaerophilic conditions. HRT from 6 to 24 h were applied in the CSTR, and 14 to 52 min in the PFR. In the PFR a biofilm was formed where palmitate accounted for 82% of total LCFA. Pseudomonas was the predominant genus (42 %) in this biofilm, highlighting the role of aerobic and facultative anaerobic bacteria in LCFA bioconversion.

O emprego da geoestatística na determinação do tamanho "ótimo" de amostras aleatórias com vistas à obtenção de estimativas dos volumes dos fustes de espécies florestais em Paragominas, estado do Pará

O objetivo do trabalho foi determinar o tamanho adequado de amostra para estimar o volume de fustes de espécies florestais de uma população de árvores a serem cortadas no sistema de manejo florestal da empresa Cikel Brasil Verde Madeiras - Pará. Utilizaram-se as metodologias da amostragem sistemática e do estimador geoestatístico da krigagem ordinária com simulação sequencial, respectivamente para a escolha das amostras e estimação dos volumes dos fustes das árvores. Os resultados mostraram que os métodos podem ser utilizados no cálculo dos volumes de fustes de árvores. Entretanto, o método da krigagem apresenta um efeito de suavização, tendo como conseqüência uma subestimação dos volumes calculados. Neste caso, um fator de correção foi aplicado para minimizar o efeito da suavização. A simulação sequencial indicativa apresentou resultados mais precisos em relação à krigagem, uma vez que tal método apresentou algumas vantagens, tal como a não exigência de amostras com distribuições normais e ausência de efeito de suavização, característico dos métodos de interpolação.

Pró-fármacos fotoativáveis do péptido AAPV: síntese e avaliação da libertação controlada por luz

Dissertação de mestrado em Bioquímica Aplicada (área de especialização em Biomedicina)