Intrinsic noise in gene regulatory networks

Cells are intrinsically noisy biochemical reactors: low reactant numbers can lead to significant statistical fluctuations in molecule numbers and reaction rates. Here we use an analytic model to investigate the emergent noise properties of genetic systems. We find for a single gene that noise is essentially determined at the translational level, and that the mean and variance of protein concentration can be independently controlled. The noise strength immediately following single gene induction is almost twice the final steady-state value. We find that fluctuations in the concentrations of a regulatory protein can propagate through a genetic cascade; translational noise control could explain the inefficient translation rates observed for genes encoding such regulatory proteins. For an autoregulatory protein, we demonstrate that negative feedback efficiently decreases system noise. The model can be used to predict the noise characteristics of networks of arbitrary connectivity. The general procedure is further illustrated for an autocatalytic protein and a bistable genetic switch. The analysis of intrinsic noise reveals biological roles of gene network structures and can lead to a deeper understanding of their evolutionary origin.

Avaliação do crescimento de Ankistrodesmus braunii em reator tubular empregando diferentes concentrações de nitrato em diferentes condições de cultivo

Microalgas são organismos unicelulares, eucariontes, fotossintetizantes e eficientes fixadores de gás carbônico que apresentam grande potencial para produção de ácidos graxos além de pigmentos, como os carotenóides e a clorofila, de interesse nas indústrias de alimentos, química, farmacêutica e de cosméticos. Dentre as microalgas, o microrganismo Ankistrodesmus braunii vem sendo citado como capaz de produzir grandes quantidades de lipídios, podendo corresponder a até 73% de sua massa seca, com produção de ácidos graxos insaturados, como o ácido linolênico. Esse microrganismo se destaca do ponto de vista industrial por poder ser conduzido em reatores e em meios de cultivo complexos. As fontes de nitrogênio, as concentrações empregadas destes nutrientes, bem como o tipo de processo de cultivo interferem na composição de biomassas fotossintetizantes. O uso de reatores tubulares tem sido estudado e tem se apresentado interessante por permitir a obtenção de altas concentrações celulares. Nesse sentido, este trabalho teve a finalidade de estudar o crescimento de Ankistrodesmus braunii em reator tubular com uso de diferentes quantidades de nitrato de sódio por processos descontínuo, descontínuo alimentado e semi-contínuo. Nos cultivos descontínuos, a máxima concentração celular (Xm) encontrada foi de 1588 ± 11 mg.L-1 com uso de 20 mM de NaNO3. O uso do processo descontínuo alimentado, o qual teve adição de 20 mM de NaNO3 feito num intervalo a cada 48 horas sendo iniciada a adição no primeiro dia, permitiu a obtenção de Xm = 2753 ± 7 mg.L-1; porém não foi possível eliminar a fase lag do cultivo, levando a uma produtividade em células (Px) de 351 ± 1 mg.L-1.dia-1. O processo semi-contínuo foi eficiente para eliminar a fase lag do cultivo, permitindo a obtenção de Xm = 2399 ± 5 mg.L-1 e um aumento de até 50% em Px, que chegou a valores de 525 ± 1 mg.L-1.dia-1 em cultivos com uso de 20 mM de NaNO3. Nesta condição os teores de proteínas e lipídios nas biomassas foram de 34,8 ± 0,2% e 38,6 ± 0,2%, respectivamente. Foi observado que, independentemente do tipo de processo empregado, há um decréscimo do valor do fator de conversão de nitrogênio em células (YX/N) com o aumento da adição de NaNO3. O maior valor de YX/N foi obtido no experimento com processo semi-contínuo e uso de 2 mM de NaNO3 no meio de cultivo, com valor médio de 29,1 ± 0,1 mg mg-1 ao final do segundo ciclo. Porém, nesta condição, o teor de proteínas da biomassa foi de 17,3 ± 0,4%. Já os maiores valores de YX/N encontrados nos processos descontínuo e descontínuo alimentado foram, respectivamente, de 22,5 ± 1,6 e 7,1 ± 0,1 mg mg-1. Os resultados obtidos neste trabalho evidenciam o potencial de Ankistrodesmus braunii como fonte de proteínas e lipídios para uso industrial.

Estratégia operacional de sistema formado por reator não compartimentado com setores com aeração/sem aeração precedido por reator anaeróbio

A opção por sistemas biológicos prevalece para o tratamento do esgoto sanitário. Nas décadas recentes, sistemas que possuem regiões e/ou zonas anaeróbia, anóxica e aeróbia têm-se mostrado como alternativas atraentes para remoção simultânea de matéria orgânica, nitrogênio e fósforo. No entanto, os aspectos operacionais ainda merecem ser objeto de estudo para alcançar desempenho otimizado. Nesse cenário, com intuito de comparar alternativas para a operação das unidades de tratamento de esgoto, o presente trabalho propôs-se a estudar estratégias operacionais associadas ao monitoramento, em tempo real, sem adição de fonte externa de carbono, para um reator aerado não compartimentado com crescimento suspenso e fluxo contínuo precedido de reator anaeróbio. O sistema experimental, em escala de bancada, era constituído de um reator anaeróbio, com volume útil de 43,54 L, e reator aerado, com volume útil de 68,07 L; sendo que este era formado por sete setores, em série, sem separação física. O estudo foi dividido em duas etapas: I - estudo da variação dos volumes da região aerada e da não aerada; II - estudo da aeração intermitente com ciclo de aeração/agitação pré-fixado e controlado em tempo real por sistema informatizado. Em todas as Etapas do estudo ocorreu elevada remoção de DBO e conversão de NTK para nitrato, contudo não se conseguiu obter desnitrificação em nível desejado. O uso de reatores com setores sequenciais sem divisão física (Etapa I) dificultou a obtenção de regiões distintas predominantemente anóxica e aeróbia, comprometendo a remoção de nitrogênio (principalmente a desnitrificação). A maior eficiência média de remoção de nitrogênio alcançada no reator aerado foi de 35,6% (Etapa II), quando o reator era operado com aeração intermitente sendo o ciclo de aeração/agitação controlado em tempo real. A estratégia de operação com aeração intermitente, estudada na Etapa II, favoreceu a remoção de nitrogênio. A aeração intermitente demonstrou ser uma opção promissora comparada à aeração contínua em setores específicos do reator. O controle automatizado e informatizado em tempo real dos ciclos de aeração/agitação pode ser aplicado no aperfeiçoamento da operação dos sistemas de tratamento de esgoto sanitário.

Produção de biohidrogênio a partir de soro de leite em AnSBBR com recirculação da fase líquida

O presente estudo investigou a aplicação de dois tipos de AnSBBR (reatores anaeróbio com biofilme e operados em batelada e batelada alimentada sequenciais: com recirculação da fase líquida e com agitação) para produção de biohidrogênio tratando água residuária sintética (a base de soro de leite e lactose, respectivamente). O AnSBBR com recirculação da fase líquida, que foi o estudo principal do presente trabalho, apresentou problemas na produção de hidrogênio utilizando soro de leite como substrato. Algumas alternativas, como adaptação da biomassa com substratos puros de degradação mais fácil, controle do pH em valores muito baixos e diferentes formas de inoculação foram testadas, entretanto, sem obtenção de sucesso. A solução do problema foi obtida ao refrigerar o meio de alimentação a 4ºC para evitar a fermentação no frasco de armazenamento, retirar a ureia e a suplementação de nutrientes, e realizar lavagens periódicas do material suporte para retirada de parte da biomassa. Dessa forma eliminaram-se indícios de produção de H2S por possível ação de bactérias redutoras de sulfato (BRS) e atingiu-se uma produção estável de hidrogênio sem, entretanto, eliminar completamento o metano, que foi produzido em baixas concentrações. Depois de atingida a estabilidade, investigou-se a influência da concentração afluente de substrato, do tempo de enchimento e da temperatura na produção de biohidrogênio no AnSBBR com recirculação da fase líquida tratando soro de leite. O estudo da concentração afluente apresentou um ponto ótimo para a concentração de 5400 mgDQO.L-1, atingindo valores de 0,80 mol H2.mol-1 lactose e de 660 mL H2.L-1.d-1. O estudo do tempo de enchimento apresentou resultados similares para as condições analisadas. Com relação à temperatura, os melhores resultados foram obtidos com a temperatura mais baixa testada de 15ºC (1,12 mol H2.mol lactose-1 e 1080 mL H2.L-1.d-1), sendo que na temperatura mais alta testada (45°C) não ocorreu produção de hidrogênio. Para o AnSBBR com agitação mecânica, que foi um estudado complementar realizado pelo fato da lactose ser o principal complemento do soro de leite, o desempenho do biorreator foi avaliado de acordo com influência conjunta do tempo de ciclo (tC – 2, 3 e 4 h), da concentração afluente (CSTA – 3600-5400 mgDQO.L-1) e da carga orgânica volumétrica aplicada (COAV – 9,3, 12,3, 13,9, 18,5 e 27,8 mgDQO.L-1.d-1). Foram obtidos excelentes resultados: consumos de carboidratos (lactose), com valores médios sempre acima de 90% e uma produção estável de biohidrogênio em todas as condições estudadas, com metano em baixas concentrações apenas na condição de maior COAV. A diminuição do tC apresentou tendência clara de melhora sobre o RMCRC,n (rendimento molar entre hidrogênio produzido e carboidrato removido) apenas para as condições com menor concentração CSTA, havendo uma relação direta entre CSTA, e RMCRC,n em todos os valores de tC, exceto para o tempo de ciclo de 3 h, exatamente onde ocorreu produção de metano. O melhor valor de RMCRC,n obtido na operação com lactose (1,65 mol H2.mol Carboidrato-1) foi superior aos obtidos em outros trabalhos utilizando a mesma configuração de reator e sacarose como substrato. As análises filogenéticas mostraram que a maioria dos clones analisados foi semelhante à Clostridium. Além destes, clones filogeneticamente semelhantes com a Família Lactobacilaceae, especificamente Lactobacillus rhamnosus foram observados em menor porcentagem no reator, assim como clones com sequências semelhantes a Acetobacter indonesiensis.

Influência da configuração da célula combustível microbiana na geração de energia elétrica a partir da degradação de compostos orgânicos

Nessa pesquisa foram testadas tanto CCM com membranas e sem membranas que tinham por característica reproduzir sistemas de tratamento de esgoto sanitário. A etapa experimental desse trabalho foi dividida entre o Brasil (ensaios com CCM sem a MTP e utilizando esgoto sanitário) e Portugal (ensaios com CCM tradicionais de uma e duas câmaras, utilizando água residuária sintética e a bactéria Lactobacillus pentosus). A execução em dois locais diferentes resultou em um maior aprofundamento e desenvolvimento da pesquisa. As CCM foram avaliadas principalmente quanto ao potencial elétrico e eficiência da degradação de compostos orgânicos (esgoto sanitário e água residuária sintética). Para os dados obtidos no Brasil, as três configurações apresentaram maior diferença na potência em função do modo de operação. A operação intermitente apresentou a maior potência (11 mW/m2) para a CCM cilíndrica de fluxo ascendente, enquanto que operação continua a maior potência (4,2 mW/m2) foi obtida para a CCM retangular de fluxo horizontal, a qual também apresentava uma maior facilidade na manutenção quanto aos eletrodos (adição/remoção). A CCM cúbica de fluxo ascendente devido a sua concepção simples demandava um sistema complementar para o aumento da remoção de DQO. Apesar da baixa potência mensurada para os ensaios realizados no Brasil há de se pontuar que os mesmos foram obtidos para reatores sem membranas e utilizando o esgoto sanitário, o qual apresentou grande sazonalidade. Para a etapa realizada em Portugal, foi possível realizar quinze diferentes ensaios e mais um ensaio específico de crescimento. A maior potência (10,37 mW/m2) foi obtida para CCM de câmara dupla operada de modo contínuo para um tempo de detenção hidráulico (TDH) de 20 horas. A maior potência obtida para a CCM de câmara única foi de 5,53 mW/m2 quando houve a adição do extrato de levedura (função teórica de mediador). A potência da CCM, na maioria das vezes, esteve relacionada à proporção de sólidos voláteis e totais, SV/ST, quantidade de bactérias, pH, características de operação e por fim a configuração da CCM. O ensaio de crescimento revelou a correlação da potência em função da quantidade de bactérias inseridas da massa do biofilme (SV) e mostra-se como uma ferramenta na avaliação da potência das CCM.

PCRELAP5 - Programa de cálculo para os dados de entrada do código RELAP5

Após os acidentes nucleares ocorridos no mundo, critérios e requisitos extremamente rígidos para a operação das instalações nucleares foram determinados pelos órgãos internacionais que regulam essas instalações. A partir da ocorrência destes eventos, as operadoras de plantas nucleares necessitam simular alguns acidentes e transientes, por meio de programas computacionais específicos, para obter a licença de operação de uma planta nuclear. Com base neste cenário, algumas ferramentas computacionais sofisticadas têm sido utilizadas como o Reactor Excursion and Leak Analysis Program (RELAP5), que é o código mais utilizado para a análise de acidentes e transientes termo-hidráulicos em reatores nucleares no Brasil e no mundo. Uma das maiores dificuldades na simulação usando o código RELAP5 é a quantidade de informações geométricas da planta necessárias para a análise de acidentes e transientes termo-hidráulicos. Para a preparação de seus dados de entrada é necessário um grande número de operações matemáticas para calcular a geometria dos componentes. Assim, a fim de realizar estes cálculos e preparar dados de entrada para o RELAP5, um pré-processador matemático amigável foi desenvolvido, neste trabalho. O Visual Basic for Applications (VBA), combinado com o Microsoft Excel, foi utilizado e demonstrou ser um instrumento eficiente para executar uma série de tarefas no desenvolvimento desse pré-processador. A fim de atender as necessidades dos usuários do RELAP5, foi desenvolvido o Programa de Cálculo do RELAP5 PCRELAP5 onde foram codificados todos os componentes que constituem o código, neste caso, todos os cartões de entrada inclusive os opcionais de cada um deles foram programados. Adicionalmente, uma versão em inglês foi criada para PCRELAP5. Também um design amigável do PCRELAP5 foi desenvolvido com a finalidade de minimizar o tempo de preparação dos dados de entrada e diminuir os erros cometidos pelos usuários do código RELAP5. Nesse trabalho, a versão final desse pré-processador foi aplicada com sucesso para o Sistema de Injeção de Emergência (SIE) da usina Angra 2.

Remoção de metil paration e atrazina em reatores de bancada com fungos

Neste estudo foi avaliada a remoção de metil paration - inseticida e atrazina - herbicida presentes em água, em reatores de bancada, com fungos. A pesquisa foi dividida em quatro etapas: operação em batelada com metil paration e micélio fúngico, com e sem glicose; teste de toxicidade em placas com Aspergillus niger AN400; operação em batelada com os pesticidas atrazina e metil paration e esporos de Aspergillus niger AN400, com e sem glicose; e operação em reatores de leito fixo e fluxo ascendente. Na primeira etapa, a remoção de metil paration foi de 97% nos reatores sem glicose e 94% nos reatores com glicose com 32 dias de reação. Na operação em batelada, com esporos, um modelo cinético de primeira ordem representou bem a velocidade de decaimento de metil paration nesta fase, principalmente, nos reatores que continham glicose. Para os experimentos sem adição de glicose, a constante cinética foi de 0,063 ± 0,005/h, enquanto que para os experimentos com glicose a constante foi de 0,162 ± 0,014/h. Dessa forma, a adição de glicose resultou efetivamente em aumento na velocidade de conversão do inseticida. Na fase experimental, com atrazina e esporos de Aspergillus niger AN400, a presença do substrato primário (glicose) não teve influência na remoção de atrazina, sendo que os percentuais de remoção foram muito próximos aos percentuais encontrados nos reatores sem glicose. O estudo cinético, nessa fase com atrazina e esporos, revelou que para os experimentos sem a adição de glicose, o valor da velocidade de conversão de atrazina (RATZo) foi de 0,023/d, enquanto que para os experimentos com glicose (RATZo) foi 0,022/d. Portanto, a adição de glicose parece não ter influenciado significativamente a velocidade de remoção do herbicida por Aspergillus niger AN400. O teste de toxicidade demonstrou que metil paration e atrazina não inibiram o crescimento do fungo nas várias concentrações testadas, inclusive nas mais elevadas, que foram 60 mg/L e 25 mg/L para metil paration e atrazina, respectivamente. No reator de leito fixo a remoção de metil paration foi de 40% com 12 h de tempo de detenção hidráulica, e 0,5 g glicose/L. Porém, quando a concentração de glicose foi duplicada a remoção de metil paration diminuiu para 35%. Neste reator o pH se manteve na faixa ácida 3,4 a 5,2, considerada ideal para os fungos. Os resultados encontrados mostram a viabilidade dos fungos para remoção desses pesticidas, considerados persistentes no ambiente.

Ocorrência e remoção dos protozoários patogênicos Giardia spp. e Cryptosporidium spp. em sistemas de tratamento de esgoto sanitário

O propósito do presente estudo foi investigar e monitorar a remoção de cistos de Giardia spp. e oocistos de Cryptosporidium spp. por diferentes processos de uma estação de tratamento de esgoto (ETE) em escala plena, composta basicamente por tratamento preliminar, reator UASB e flotador por ar dissolvido, e verificar a ocorrência desses protozoários no lodo do reator UASB e do flotador. Além disso, avaliou-se a remoção desses parasitos pelo processo de flotação por ar dissolvido em escala de bancada (equipamento Flotateste). Analisou-se a qualidade das amostras a partir de variáveis físicas e químicas, e pela detecção de microrganismos indicadores - E. coli, coliformes totais e Clostridium perfringens. Os métodos de detecção de protozoários se basearam nas etapas de concentração (tripla centrifugação ou filtração em membrana seguida de tripla centrifugação); purificação por separação imunomagnética (IMS); detecção por reação de imunofluorescência direta (RID). As recuperações de cistos variaram de 32,6 a 67,0 % dependendo do método adotado, já para os oocistos as recuperações estiveram na faixa de 5,6 a 12,0 %. Na ETE-Monjolinho foram detectadas significativas quantidades de cistos de Giardia spp. em 100% das amostras de esgoto analisadas, com concentração média de 1,89 x 104 e 2,35 x 102 cistos.L-1 no esgoto bruto e tratado, respectivamente. Já os oocistos de Cryptosporidium spp. foram detectados em 39,0 % das amostras de esgoto, com concentração média de 1,35 x 102 oocistos.L-1 no esgoto bruto e 5,87 oocistos.L-1 em esgoto tratado (após flotador). A remoção global da ETE para remoção de Giardia spp. foi em média 2,03 log. O lodo do reator UASB e lodo do flotador apresentaram altas quantidade de (oo)cistos, constatando-se a tendência desses sistemas em concentrar os (oo)cistos por seus processos físicos. Algumas correlações significativas foram encontradas, como correlação entre a concentração de cistos no lodo e a variável sólidos totais, a concentração de cistos no esgoto bruto e as variáveis cor aparente, DQO total e particulada, e a concentração de cistos no efluente UASB e o microrganismo Clostridium perfringens. Diferentemente do flotador em escala plena, o processo do flotação por ar dissolvido em escala de bancada alcançou elevadas remoções médias de cistos de Giardia spp., entre 2,5 e 2,7 log nas diferentes condições de floculação estudadas.

Desenvolvimento de estratégias de otimização contínua e discreta para problemas de fluxo de potência ótimo

O objetivo do presente trabalho é a investigação e o desenvolvimento de estratégias de otimização contínua e discreta para problemas de Fluxo de Potência Ótimo (FPO), onde existe a necessidade de se considerar as variáveis de controle associadas aos taps de transformadores em-fase e chaveamentos de bancos de capacitores e reatores shunt como variáveis discretas e existe a necessidade da limitação, e/ou até mesmo a minimização do número de ações de controle. Neste trabalho, o problema de FPO será abordado por meio de três estratégias. Na primeira proposta, o problema de FPO é modelado como um problema de Programação Não Linear com Variáveis Contínuas e Discretas (PNLCD) para a minimização de perdas ativas na transmissão; são propostas três abordagens utilizando funções de discretização para o tratamento das variáveis discretas. Na segunda proposta, considera-se que o problema de FPO, com os taps de transformadores discretos e bancos de capacitores e reatores shunts fixos, possui uma limitação no número de ações de controles; variáveis binárias associadas ao número de ações de controles são tratadas por uma função quadrática. Na terceira proposta, o problema de FPO é modelado como um problema de Otimização Multiobjetivo. O método da soma ponderada e o método ε-restrito são utilizados para modificar os problemas multiobjetivos propostos em problemas mono-objetivos. As variáveis binárias associadas às ações de controles são tratadas por duas funções, uma sigmoidal e uma polinomial. Para verificar a eficácia e a robustez dos modelos e algoritmos desenvolvidos serão realizados testes com os sistemas elétricos IEEE de 14, 30, 57, 118 e 300 barras. Todos os algoritmos e modelos foram implementados em General Algebraic Modeling System (GAMS) e os solvers CONOPT, IPOPT, KNITRO e DICOPT foram utilizados na resolução dos problemas. Os resultados obtidos confirmam que as estratégias de discretização são eficientes e as propostas de modelagem para variáveis binárias permitem encontrar soluções factíveis para os problemas envolvendo as ações de controles enquanto os solvers DICOPT e KNITRO utilizados para modelar variáveis binárias não encontram soluções.

Utilização de metanol, etanol e metano como doadores de elétrons para a desnitrificação

Esta tese apresenta e discute os dados obtidos a partir de trabalho experimental projetado para avaliar comparativamente o desempenho de reatores desnitrificantes em batelada, tendo etanol, metanol e gás metano como doadores de elétrons. Os experimentos foram realizados em reatores em escala de bancada. Os ensaios com gás metano objetivaram verificar a efetividade deste sub-produto de reatores anaeróbios em substituir os doadores exógenos de elétrons comumente utilizados, tais como metanol e etanol. Para alcançar o objetivo principal deste trabalho, os parâmetros cinéticos de desnitrificação, para os doadores de elétrons ensaiados, foram determinados nas diferentes condições operacionais. Além disso, as alterações ocorridas na população microbiana, ao longo do período experimental, foram avaliadas em relação à diversidade microbiana, por meio de análises microscópicas (óptica, de fluorescência e eletrônica de varredura) e da técnica de Biologia Molecular de PCR/DGGE. A completa desnitrificação foi alcançada para todos os compostos testados, e o etanol foi o doador de elétrons mais eficiente para a desnitrificação. A melhor razão carbono-nitrogênio para a desnitrificação foi igual a 1,0. Contudo, este parâmetro foi encontrado ser inadequado para utilização no processo de desnitrificação, uma vez que não expressa a capacidade real do composto usado em doar elétrons. A desnitrificação com metano ocorreu tanto na presença como na ausência de oxigênio, embora a baixas velocidades quando comparado com os outros compostos. No entanto, a configuração do reator utilizado neste estudo não foi adequada para promover a efetiva dissolução do gás metano na fase líquida. Por essa razão, sugere-se o desenvolvimento de configurações de reatores apropriadas para minimizar as resistências à transferência de massa da fase gasosa para a líquida e também desta para a biomassa.

Flotação aplicada ao pós-tratamento do efluente de reator anaeróbio de leito expandido tratando esgoto sanitário

Este trabalho apresenta e discute os resultados de um estudo amplo e aprofundado sobre os principais parâmetros operacionais da flotação por ar dissolvido, utilizada no pós-tratamento de efluentes de um reator anaeróbio de leito expandido (RALEx), tratando 10 m3/hora de esgoto sanitário. Foram realizados preliminarmente ensaios utilizando o flotateste, unidade de flotação em escala de laboratório, para identificar as melhores dosagens de coagulante (cloreto férrico), o polímero mais adequado, dentre os 26 testados, e sua respectiva dosagem, o pH de coagulação adequado, o tempo (Tf) e o gradiente de velocidade (Gf) de floculação mais apropriados e a quantidade de ar (S*) requerida. Para obtenção das condições operacionais adequadas para a unidade piloto de flotação, os valores de Tf e de Gf foram variados de zero a 24 minutos e de 40 a 100 s-1, respectivamente. As concentrações de cloreto férrico e de polímero sintético variaram de 15 a 92 mg/L e de 0,25 a 7,0 mg/L, respectivamente. S* variou de 2.85 a 28.5 gramas de ar por metro cúbico de efluente e a taxa de aplicação superficial na unidade de flotação abrangeu de 180 a 250 m3/m2/d. O desempenho da flotação durante a partida do reator anaeróbio também foi investigado. O uso de 50 mg/L de cloreto férrico, de Tf igual a 20 min e Gf de 80 s-1, de S* de 19,7 g de ar por m3 de efluente e taxa de 180 m3/m2/d produziu excelentes resultados nos ensaios com a instalação piloto de flotação, com elevadas remoções de carga de DQO (80,6%), de fósforo total (90,1%) e de sólidos suspensos totais (92,1%) e com turbidez entre 1,6 e 15,4 uT e residuais de ferro de 0,5 mg/L, com remoção estimada, na forma de lodo, de 77 gramas de SST por m3 de efluente tratado. Nestas mesmas condições, no sistema RALEx+FAD, foram observadas remoções globais de 91,6% de carga de DQO, de 90,1% de carga de fósforo e de 96,6% de carga de SST. O emprego da flotação por ar dissolvido (FAD) mostrou-se alternativa bastante atraente para o pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Se a coagulação estiver bem ajustada, o sistema composto de reator anaeróbio seguido de unidade de flotação consegue alcançar excelente remoção de matéria orgânica, redução significativa da concentração de fósforo e de sólidos suspensos, além de precipitação dos sulfetos dissolvidos, gerados no reator anaeróbio. Bons resultados foram alcançados mesmo quando o reator RALEx produziu efluentes de baixa qualidade durante seu período de partida. Nesse período, o sistema de flotação atuou como barreira eficaz, evitando a emissão de efluente de baixa qualidade do sistema.

Tratamento de água residuária parcialmente solúvel em reator anaeróbio em batelada seqüencial contendo biomassa imobilizada e agitação mecânica: análise da influência da intensidade de agitação e do tamanho de biopartícula

Neste trabalho de doutorado utilizou-se um reator anaeróbio em batelada seqüencial contendo biomassa imobilizada em matrizes cúbicas de espuma de poliuretano e agitação mecânica, com volume total de 5.5 L e volume útil de 4.5 L. A agitação do meio líquido foi realizada com quatro tipos de impelidores (turbina tipo hélice, lâminas planas, lâminas planas inclinadas e lâminas curvas, testados individualmente, sempre em número de 3), com 6 cm de diâmetro. A pesquisa foi realizada em quatro etapas experimentais. A etapa 1 objetivou determinar o tempo de mistura no reator para cada tipo de impelidor, ou seja, o tempo necessário para que o meio líquido ficasse totalmente homogêneo. A etapa 2 objetivou selecionar o tipo de impelidor e a respectiva intensidade de agitação que garantisse a minimização da resistência à transferência de massa externa no sistema. As intensidades de agitação testadas variaram de 200 a 1100 rpm, dependendo do tipo de impelidor. A etapa 3 foi realizada com tipo de impelidor e intensidade de agitação definidos na etapa 2, mas variando-se o tamanho da biopartícula (0,5, 1,0, 2,0 e 3,0 cm de aresta). O objetivo desta etapa foi selecionar o tamanho de biopartícula que minimizasse a resistência à transferência de massa interna. De posse das condições operacionais otimizadas (tipo de impelidor, intensidade de agitação e tamanho de partícula de suporte), a etapa 4 constituiu na aplicação das mesmas para o tratamento de um resíduo real, sendo escolhida água residuária de suinocultura. Na etapa 1, os resultados mostraram que os tempos de mistura para todos os tipos de impelidores foram desprezíveis em relação ao tempo total de ciclo. A etapa 2 revelou tempos de partida muito curtos (cerca de 20 dias), em todas as condições testadas, sendo atingidas remoções de DQO próximas de 70%. Além disso, o tipo de impelidor exerceu grande influência na qualidade final do efluente, fato este claramente constatado quando as frações de DQO foram consideradas separadamente (filtrada e suspensa). De acordo com os resultados obtidos na etapa 3, o tamanho da biopartícula teve influência decisiva no desempenho do sistema, nas condições testadas. As velocidades de dissolução foram aparentemente influenciadas pelo empacotamento do leito de espuma, enquanto que o consumo da fração de DQO correspondente às amostras filtradas foi provavelmente influenciado por fatores mais complexos. Finalmente, o teste realizado com resíduo diluído de suinocultura demonstrou que a operação do reator em estudo para o tratamento deste tipo de água residuária é possível. Os dados operacionais mostraram que o reator permaneceu estável durante o período testado. A agitação mecânica provou ser eficiente para melhorar a degradação da DQO suspensa, um dos maiores problemas no tratamento deste tipo de água residuária. Sendo assim, de acordo com os dados experimentais obtidos ao longo do trabalho, pode-se afirmar que a agitação em reatores em batelada mostrou-se importante não somente para proporcionar boas condições de mistura ou melhorar a transferência de massa na fase líquida, mas também para melhorar a solubilização da matéria orgânica particulada, melhorando as velocidades de consumo de matéria orgânica.

Degradação enzimática de clorofenol em microrreator.

O microrreator faz parte de conjunto de dispositivos de uma nova e promissora tecnologia, que podem ser chamados de micro fabricados, atuante em campos como a da química, biológica, farmacêutica, engenharia química e biotecnologia. Trata-se de um dispositivo que possibilita reação química, tais como os reatores convencionais, mas com dimensões menores, com canais na escala micrométrica. A tecnologia de miniaturização de dispositivos para reações químicas vem se expandindo promovendo uma importante evolução, com microssistemas que abrange dispositivos mais eficazes, com configuração e geometrias específicas e menor consumo de energia, onde reações com elevadas taxas de transporte podem ser usadas para muitas finalidades diferentes, tais como, reações rápidas, mistura, reações sensíveis à temperatura, temperatura de homogeneização, ou até mesmo precipitação de nano partículas. Devido sua escala ser extremamente reduzida em relação à escala macro, oferecem um sistema que permite uma investigação do processo em um curto espaço de tempo, sendo muito útil para o rastreio de substratos, enzimas, condições de reação, bem como a determinação de parâmetros cinéticos. O presente trabalho teve por objetivo estudar a biodegradação enzimática de 2,4,6-Triclorofenol, com a utilização das enzimas Lacase e Soybean Peroxidase em microrreator da Syrris com volume de 250 ?l, que permite o estudo de cinéticas muito rápidas. Para as análises de degradação utilizou-se duas enzimas, a Lacase em concentrações de 0,05; 0,1 e 0,2 mg/ml; e a Soybean Peroxidase em concentrações de 0,0005; 0,001 e 0,002 mg/ml com a adição de Peróxido de Hidrogênio. Através dos ensaios realizados obteve-se dados experimentais da reação enzimática, possibilitando a verificação da taxa inicial de reação e sua cinética. Posteriormente, realizou-se as análises em simulação utilizando os dados experimentais, que através de um sistema de EDOs estimando inicialmente as constantes cinéticas k1, k2 e k3 usando a ferramenta ESTIMA, onde apresentaram duas respostas, uma resposta típica de mínimos quadrados, e a outra resposta que a velocidade inicial, que foi melhor representada pelos parâmetros obtidos. O método empregado na degradação do substrato, o microrreator mostrou-se eficiente, permitindo a detecção de baixo consumo de substrato para a determinação da taxa inicial, em curto tempo de residência. Perante os ensaios realizados com Lacase e Soybean Peroxidase, o microrreator é também um equipamento eficaz na repetitividade e na reprodutibilidade dos dados obtidos em diferentes concentrações.

Modelagem estocástica da dispersão axial: aplicação em um reator tubular de polimerização.

Reatores tubulares de polimerização podem apresentar um perfil de velocidade bastante distorcido. Partindo desta observação, um modelo estocástico baseado no modelo de dispersão axial foi proposto para a representação matemática da fluidodinâmica de um reator tubular para produção de poliestireno. A equação diferencial foi obtida inserindo a aleatoriedade no parâmetro de dispersão, resultando na adição de um termo estocástico ao modelo capaz de simular as oscilações observadas experimentalmente. A equação diferencial estocástica foi discretizada e resolvida pelo método Euler-Maruyama de forma satisfatória. Uma função estimadora foi desenvolvida para a obtenção do parâmetro do termo estocástico e o parâmetro do termo determinístico foi calculado pelo método dos mínimos quadrados. Uma análise de convergência foi conduzida para determinar o número de elementos da discretização e o modelo foi validado através da comparação de trajetórias e de intervalos de confiança computacionais com dados experimentais. O resultado obtido foi satisfatório, o que auxilia na compreensão do comportamento fluidodinâmico complexo do reator estudado.

Desenvolvimento de um elemento combustível instrumentado para o reator de pesquisa IEA-R1

Após o aumento de potência do reator IEA-R1 de 2 MW para 5 MW observou-se um aumento da taxa de corrosão nas placas laterais de alguns elementos combustíveis e algumas dúvidas surgiram com relação ao valor de vazão utilizada nas análises termo-hidráulicas. A fim de esclarecer e medir a distribuição de vazão real pelos elementos combustíveis que compõe o núcleo do reator IEA-R1, um elemento combustível protótipo, sem material nuclear, chamado DMPV-01 (Dispositivo para Medida de Pressão e Vazão), em escala real, foi projetado e construído em alumínio. A vazão no canal entre dois elementos combustíveis é muito difícil de estimar ou ser medida. Esta vazão é muito importante no processo de resfriamento das placas laterais. Este trabalho apresenta a concepção e construção de um elemento combustível instrumentado para medir a temperatura real nestas placas laterais para melhor avaliar as condições de resfriamento do combustível. Quatorze termopares foram instalados neste elemento combustível instrumentado. Quatro termopares em cada canal lateral e quatro no canal central, além de um termopar no bocal de entrada e outro no bocal de saída do elemento. Existem três termopares para medida de temperatura do revestimento e um para a temperatura do fluido em cada canal. Três séries de experimentos, para três configurações distintas, foram realizadas com o elemento combustível instrumentado. Em dois experimentos uma caixa de alumínio foi instalada ao redor do núcleo para reduzir o escoamento transverso entre os elementos combustíveis e medir o impacto na temperatura das placas externas. Dada a tamanha quantidade de informações obtidas e sua utilidade no projeto, melhoria e capacitação na construção, montagem e fabricação de elementos combustíveis instrumentados, este projeto constitui um importante marco no estudo de núcleos de reatores de pesquisa. As soluções propostas podem ser amplamente utilizadas para outros reatores de pesquisa.