Optimisation de l'extraction, en réacteur "batch", de biomasse énergétique à l'aide d'émulsions ultrasoniques de solvants verts

L’industrie des biocarburants de deuxième génération utilise, entre autre, la biomasse lignocellulosique issue de résidus forestiers et agricoles et celle issue de cultures énergétiques. Le sorgho sucré [Sorghum bicolor (L.) Moench] fait partie de ces cultures énergétiques. L’intérêt croissant de l’industrie agroalimentaire et des biocarburants pour cette plante est dû à sa haute teneur en sucres (jusqu’à 60% en masse sèche). En plus de se développer rapidement (en 5-6 mois), le sorgho sucré a l’avantage de pouvoir croître sur des sols pauvres en nutriments et dans des conditions de faibles apports en eau, ce qui en fait une matière première intéressante pour l’industrie, notamment pour la production de bioéthanol. Le concept de bioraffinerie alliant la production de biocarburants à celle de bioénergies ou de bioproduits est de plus en plus étudié afin de valoriser la production des biocarburants. Dans le contexte d’une bioraffinerie exploitant la biomasse lignocellulosique, il est nécessaire de s’intéresser aux différents métabolites extractibles en plus des macromolécules permettant la fabrication de biocarburants et de biocommodités. Ceux-ci pouvant avoir une haute valeur ajoutée et intéresser l’industrie pharmaceutique ou cosmétique par exemple. Les techniques classiques pour extraire ces métabolites sont notamment l’extraction au Soxhlet et par macération ou percolation, qui sont longues et coûteuses en énergie. Ce projet s’intéresse donc à une méthode d’extraction des métabolites primaires et secondaires du sorgho sucré, moins coûteuse et plus courte, permettant de valoriser économiquement l’exploitation industrielle du de cette culture énergétique. Ce travail au sein de la CRIEC-B a porté spécifiquement sur l’utilisation d’une émulsion ultrasonique eau/carbonate de diméthyle permettant de diminuer les temps d’opération (passant à moins d’une heure au lieu de plusieurs heures) et les quantités de solvants mis en jeu dans le procédé d’extraction. Cette émulsion extractive permet ainsi de solubiliser à la fois les métabolites hydrophiles et ceux hydrophobes. De plus, l’impact environnemental est limité par l’utilisation de solvants respectueux de l’environnement (80 % d’eau et 20 % de carbonate de diméthyle). L’utilisation de deux systèmes d’extraction a été étudiée. L’un consiste en la recirculation de l’émulsion, en continu, au travers du lit de biomasse; le deuxième permet la mise en contact de la biomasse et des solvants avec la sonde à ultrasons, créant l’émulsion et favorisant la sonolyse de la biomasse. Ainsi, en réacteur « batch » avec recirculation de l’émulsion eau/DMC, à 370 mL.min[indice supérieur -1], au sein du lit de biomasse, l’extraction est de 37,91 % en 5 minutes, ce qui est supérieur à la méthode ASTM D1105-96 (34,01 % en 11h). De plus, en réacteur « batch – piston », où la biomasse est en contact direct avec les ultrasons et l’émulsion eau/DMC, les meilleurs rendements sont de 35,39 % en 17,5 minutes, avec 15 psig de pression et 70 % d’amplitude des ultrasons. Des tests effectués sur des particules de sorgho grossières ont donné des résultats similaires avec 30,23 % d’extraits en réacteur « batch » avec recirculation de l’émulsion (5 min, 370 mL.min[indice supérieur -1]) et 34,66 % avec le réacteur « batch-piston » (30 psig, 30 minutes, 95 % d’amplitude).

Microfluidic platforms for the characterization of in meso membrane protein crystallization

Membrane proteins, which reside in the membranes of cells, play a critical role in many important biological processes including cellular signaling, immune response, and material and energy transduction. Because of their key role in maintaining the environment within cells and facilitating intercellular interactions, understanding the function of these proteins is of tremendous medical and biochemical significance. Indeed, the malfunction of membrane proteins has been linked to numerous diseases including diabetes, cirrhosis of the liver, cystic fibrosis, cancer, Alzheimer's disease, hypertension, epilepsy, cataracts, tubulopathy, leukodystrophy, Leigh syndrome, anemia, sensorineural deafness, and hypertrophic cardiomyopathy.1-3 However, the structure of many of these proteins and the changes in their structure that lead to disease-related malfunctions are not well understood. Additionally, at least 60% of the pharmaceuticals currently available are thought to target membrane proteins, despite the fact that their exact mode of operation is not known.4-6 Developing a detailed understanding of the function of a protein is achieved by coupling biochemical experiments with knowledge of the structure of the protein. Currently the most common method for obtaining three-dimensional structure information is X-ray crystallography. However, no a priori methods are currently available to predict crystallization conditions for a given protein.7-14 This limitation is currently overcome by screening a large number of possible combinations of precipitants, buffer, salt, and pH conditions to identify conditions that are conducive to crystal nucleation and growth.7,9,11,15-24 Unfortunately, these screening efforts are often limited by difficulties associated with quantity and purity of available protein samples. While the two most significant bottlenecks for protein structure determination in general are the (i) obtaining sufficient quantities of high quality protein samples and (ii) growing high quality protein crystals that are suitable for X-ray structure determination,7,20,21,23,25-47 membrane proteins present additional challenges. For crystallization it is necessary to extract the membrane proteins from the cellular membrane. However, this process often leads to denaturation. In fact, membrane proteins have proven to be so difficult to crystallize that of the more than 66,000 structures deposited in the Protein Data Bank,48 less than 1% are for membrane proteins, with even fewer present at high resolution (< 2Å)4,6,49 and only a handful are human membrane proteins.49 A variety of strategies including detergent solubilization50-53 and the use of artificial membrane-like environments have been developed to circumvent this challenge.43,53-55 In recent years, the use of a lipidic mesophase as a medium for crystallizing membrane proteins has been demonstrated to increase success for a wide range of membrane proteins, including human receptor proteins.54,56-62 This in meso method for membrane protein crystallization, however, is still by no means routine due to challenges related to sample preparation at sub-microliter volumes and to crystal harvesting and X-ray data collection. This dissertation presents various aspects of the development of a microfluidic platform to enable high throughput in meso membrane protein crystallization at a level beyond the capabilities of current technologies. Microfluidic platforms for protein crystallization and other lab-on-a-chip applications have been well demonstrated.9,63-66 These integrated chips provide fine control over transport phenomena and the ability to perform high throughput analyses via highly integrated fluid networks. However, the development of microfluidic platforms for in meso protein crystallization required the development of strategies to cope with extremely viscous and non-Newtonian fluids. A theoretical treatment of highly viscous fluids in microfluidic devices is presented in Chapter 3, followed by the application of these strategies for the development of a microfluidic mixer capable of preparing a mesophase sample for in meso crystallization at a scale of less than 20 nL in Chapter 4. This approach was validated with the successful on chip in meso crystallization of the membrane protein bacteriorhodopsin. In summary, this is the first report of a microfluidic platform capable of performing in meso crystallization on-chip, representing a 1000x reduction in the scale at which mesophase trials can be prepared. Once protein crystals have formed, they are typically harvested from the droplet they were grown in and mounted for crystallographic analysis. Despite the high throughput automation present in nearly all other aspects of protein structure determination, the harvesting and mounting of crystals is still largely a manual process. Furthermore, during mounting the fragile protein crystals can potentially be damaged, both from physical and environmental shock. To circumvent these challenges an X-ray transparent microfluidic device architecture was developed to couple the benefits of scale, integration, and precise fluid control with the ability to perform in situ X-ray analysis (Chapter 5). This approach was validated successfully by crystallization and subsequent on-chip analysis of the soluble proteins lysozyme, thaumatin, and ribonuclease A and will be extended to microfluidic platforms for in meso membrane protein crystallization. The ability to perform in situ X-ray analysis was shown to provide extremely high quality diffraction data, in part as a result of not being affected by damage due to physical handling of the crystals. As part of the work described in this thesis, a variety of data collection strategies for in situ data analysis were also tested, including merging of small slices of data from a large number of crystals grown on a single chip, to allow for diffraction analysis at biologically relevant temperatures. While such strategies have been applied previously,57,59,61,67 they are potentially challenging when applied via traditional methods due to the need to grow and then mount a large number of crystals with minimal crystal-to-crystal variability. The integrated nature of microfluidic platforms easily enables the generation of a large number of reproducible crystallization trials. This, coupled with in situ analysis capabilities has the potential of being able to acquire high resolution structural data of proteins at biologically relevant conditions for which only small crystals, or crystals which are adversely affected by standard cryocooling techniques, could be obtained (Chapters 5 and 6). While the main focus of protein crystallography is to obtain three-dimensional protein structures, the results of typical experiments provide only a static picture of the protein. The use of polychromatic or Laue X-ray diffraction methods enables the collection of time resolved structural information. These experiments are very sensitive to crystal quality, however, and often suffer from severe radiation damage due to the intense polychromatic X-ray beams. Here, as before, the ability to perform in situ X-ray analysis on many small protein crystals within a microfluidic crystallization platform has the potential to overcome these challenges. An automated method for collecting a "single-shot" of data from a large number of crystals was developed in collaboration with the BioCARS team at the Advanced Photon Source at Argonne National Laboratory (Chapter 6). The work described in this thesis shows that, even more so than for traditional structure determination efforts, the ability to grow and analyze a large number of high quality crystals is critical to enable time resolved structural studies of novel proteins. In addition to enabling X-ray crystallography experiments, the development of X-ray transparent microfluidic platforms also has tremendous potential to answer other scientific questions, such as unraveling the mechanism of in meso crystallization. For instance, the lipidic mesophases utilized during in meso membrane protein crystallization can be characterized by small angle X-ray diffraction analysis. Coupling in situ analysis with microfluidic platforms capable of preparing these difficult mesophase samples at very small volumes has tremendous potential to enable the high throughput analysis of these systems on a scale that is not reasonably achievable using conventional sample preparation strategies (Chapter 7). In collaboration with the LS-CAT team at the Advanced Photon Source, an experimental station for small angle X-ray analysis coupled with the high quality visualization capabilities needed to target specific microfluidic samples on a highly integrated chip is under development. Characterizing the phase behavior of these mesophase systems and the effects of various additives present in crystallization trials is key for developing an understanding of how in meso crystallization occurs. A long term goal of these studies is to enable the rational design of in meso crystallization experiments so as to avoid or limit the need for high throughput screening efforts. In summary, this thesis describes the development of microfluidic platforms for protein crystallization with in situ analysis capabilities. Coupling the ability to perform in situ analysis with the small scale, fine control, and the high throughput nature of microfluidic platforms has tremendous potential to enable a new generation of crystallographic studies and facilitate the structure determination of important biological targets. The development of platforms for in meso membrane protein crystallization is particularly significant because they enable the preparation of highly viscous mixtures at a previously unachievable scale. Work in these areas is ongoing and has tremendous potential to improve not only current the methods of protein crystallization and crystallography, but also to enhance our knowledge of the structure and function of proteins which could have a significant scientific and medical impact on society as a whole. The microfluidic technology described in this thesis has the potential to significantly advance our understanding of the structure and function of membrane proteins, thereby aiding the elucidation of human biology, the development of pharmaceuticals with fewer side effects for a wide range of diseases. References (1) Quick, M.; Javitch, J. A. P Natl Acad Sci USA 2007, 104, 3603. (2) Trubetskoy, V. S.; Burke, T. J. Am Lab 2005, 37, 19. (3) Pecina, P.; Houstkova, H.; Hansikova, H.; Zeman, J.; Houstek, J. Physiol Res 2004, 53, S213. (4) Arinaminpathy, Y.; Khurana, E.; Engelman, D. M.; Gerstein, M. B. Drug Discovery Today 2009, 14, 1130. (5) Overington, J. P.; Al-Lazikani, B.; Hopkins, A. L. Nat Rev Drug Discov 2006, 5, 993. (6) Dauter, Z.; Lamzin, V. S.; Wilson, K. S. Current Opinion in Structural Biology 1997, 7, 681. (7) Hansen, C.; Quake, S. R. Current Opinion in Structural Biology 2003, 13, 538. (8) Govada, L.; Carpenter, L.; da Fonseca, P. C. A.; Helliwell, J. R.; Rizkallah, P.; Flashman, E.; Chayen, N. E.; Redwood, C.; Squire, J. M. J Mol Biol 2008, 378, 387. (9) Hansen, C. L.; Skordalakes, E.; Berger, J. M.; Quake, S. R. P Natl Acad Sci USA 2002, 99, 16531. (10) Leng, J.; Salmon, J.-B. Lab Chip 2009, 9, 24. (11) Zheng, B.; Gerdts, C. J.; Ismagilov, R. F. Current Opinion in Structural Biology 2005, 15, 548. (12) Lorber, B.; Delucas, L. J.; Bishop, J. B. J Cryst Growth 1991, 110, 103. (13) Talreja, S.; Perry, S. L.; Guha, S.; Bhamidi, V.; Zukoski, C. F.; Kenis, P. J. A. The Journal of Physical Chemistry B 2010, 114, 4432. (14) Chayen, N. E. Current Opinion in Structural Biology 2004, 14, 577. (15) He, G. W.; Bhamidi, V.; Tan, R. B. H.; Kenis, P. J. A.; Zukoski, C. F. Cryst Growth Des 2006, 6, 1175. (16) Zheng, B.; Tice, J. D.; Roach, L. S.; Ismagilov, R. F. Angew Chem Int Edit 2004, 43, 2508. (17) Li, L.; Mustafi, D.; Fu, Q.; Tereshko, V.; Chen, D. L. L.; Tice, J. D.; Ismagilov, R. F. P Natl Acad Sci USA 2006, 103, 19243. (18) Song, H.; Chen, D. L.; Ismagilov, R. F. Angew Chem Int Edit 2006, 45, 7336. (19) van der Woerd, M.; Ferree, D.; Pusey, M. Journal of Structural Biology 2003, 142, 180. (20) Ng, J. D.; Gavira, J. A.; Garcia-Ruiz, J. M. Journal of Structural Biology 2003, 142, 218. (21) Talreja, S.; Kenis, P. J. A.; Zukoski, C. F. Langmuir 2007, 23, 4516. (22) Hansen, C. L.; Quake, S. R.; Berger, J. M. US, 2007. (23) Newman, J.; Fazio, V. J.; Lawson, B.; Peat, T. S. Cryst Growth Des 2010, 10, 2785. (24) Newman, J.; Xu, J.; Willis, M. C. Acta Crystallographica Section D 2007, 63, 826. (25) Collingsworth, P. D.; Bray, T. L.; Christopher, G. K. J Cryst Growth 2000, 219, 283. (26) Durbin, S. D.; Feher, G. Annu Rev Phys Chem 1996, 47, 171. (27) Talreja, S.; Kim, D. Y.; Mirarefi, A. Y.; Zukoski, C. F.; Kenis, P. J. A. J Appl Crystallogr 2005, 38, 988. (28) Yoshizaki, I.; Nakamura, H.; Sato, T.; Igarashi, N.; Komatsu, H.; Yoda, S. J Cryst Growth 2002, 237, 295. (29) Anderson, M. J.; Hansen, C. L.; Quake, S. R. P Natl Acad Sci USA 2006, 103, 16746. (30) Hansen, C. L.; Sommer, M. O. A.; Quake, S. R. P Natl Acad Sci USA 2004, 101, 14431. (31) Lounaci, M.; Rigolet, P.; Abraham, C.; Le Berre, M.; Chen, Y. Microelectron Eng 2007, 84, 1758. (32) Zheng, B.; Roach, L. S.; Ismagilov, R. F. J Am Chem Soc 2003, 125, 11170. (33) Zhou, X.; Lau, L.; Lam, W. W. L.; Au, S. W. N.; Zheng, B. Anal. Chem. 2007. (34) Cherezov, V.; Caffrey, M. J Appl Crystallogr 2003, 36, 1372. (35) Qutub, Y.; Reviakine, I.; Maxwell, C.; Navarro, J.; Landau, E. M.; Vekilov, P. G. J Mol Biol 2004, 343, 1243. (36) Rummel, G.; Hardmeyer, A.; Widmer, C.; Chiu, M. L.; Nollert, P.; Locher, K. P.; Pedruzzi, I.; Landau, E. M.; Rosenbusch, J. P. Journal of Structural Biology 1998, 121, 82. (37) Gavira, J. A.; Toh, D.; Lopez-Jaramillo, J.; Garcia-Ruiz, J. M.; Ng, J. D. Acta Crystallogr D 2002, 58, 1147. (38) Stevens, R. C. Current Opinion in Structural Biology 2000, 10, 558. (39) Baker, M. Nat Methods 2010, 7, 429. (40) McPherson, A. In Current Topics in Membranes, Volume 63; Volume 63 ed.; DeLucas, L., Ed.; Academic Press: 2009, p 5. (41) Gabrielsen, M.; Gardiner, A. T.; Fromme, P.; Cogdell, R. J. In Current Topics in Membranes, Volume 63; Volume 63 ed.; DeLucas, L., Ed.; Academic Press: 2009, p 127. (42) Page, R. In Methods in Molecular Biology: Structural Proteomics - High Throughput Methods; Kobe, B., Guss, M., Huber, T., Eds.; Humana Press: Totowa, NJ, 2008; Vol. 426, p 345. (43) Caffrey, M. Ann Rev Biophys 2009, 38, 29. (44) Doerr, A. Nat Methods 2006, 3, 244. (45) Brostromer, E.; Nan, J.; Li, L.-F.; Su, X.-D. Biochemical and Biophysical Research Communications 2009, 386, 634. (46) Li, G.; Chen, Q.; Li, J.; Hu, X.; Zhao, J. Anal Chem 2010, 82, 4362. (47) Jia, Y.; Liu, X.-Y. The Journal of Physical Chemistry B 2006, 110, 6949. (48) RCSB Protein Data Bank. http://www.rcsb.org/ (July 11, 2010). (49) Membrane Proteins of Known 3D Structure. http://blanco.biomol.uci.edu/Membrane_Proteins_xtal.html (July 11, 2010). (50) Michel, H. Trends Biochem Sci 1983, 8, 56. (51) Rosenbusch, J. P. Journal of Structural Biology 1990, 104, 134. (52) Garavito, R. M.; Picot, D. Methods 1990, 1, 57. (53) Kulkarni, C. V. 2010; Vol. 12, p 237. (54) Landau, E. M.; Rosenbusch, J. P. P Natl Acad Sci USA 1996, 93, 14532. (55) Pebay-Peyroula, E.; Rummel, G.; Rosenbusch, J. P.; Landau, E. M. Science 1997, 277, 1676. (56) Cherezov, V.; Liu, W.; Derrick, J. P.; Luan, B.; Aksimentiev, A.; Katritch, V.; Caffrey, M. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics 2008, 71, 24. (57) Cherezov, V.; Rosenbaum, D. M.; Hanson, M. A.; Rasmussen, S. G. F.; Thian, F. S.; Kobilka, T. S.; Choi, H. J.; Kuhn, P.; Weis, W. I.; Kobilka, B. K.; Stevens, R. C. Science 2007, 318, 1258. (58) Cherezov, V.; Yamashita, E.; Liu, W.; Zhalnina, M.; Cramer, W. A.; Caffrey, M. J Mol Biol 2006, 364, 716. (59) Jaakola, V. P.; Griffith, M. T.; Hanson, M. A.; Cherezov, V.; Chien, E. Y. T.; Lane, J. R.; IJzerman, A. P.; Stevens, R. C. Science 2008, 322, 1211. (60) Rosenbaum, D. M.; Cherezov, V.; Hanson, M. A.; Rasmussen, S. G. F.; Thian, F. S.; Kobilka, T. S.; Choi, H. J.; Yao, X. J.; Weis, W. I.; Stevens, R. C.; Kobilka, B. K. Science 2007, 318, 1266. (61) Wacker, D.; Fenalti, G.; Brown, M. A.; Katritch, V.; Abagyan, R.; Cherezov, V.; Stevens, R. C. J Am Chem Soc 2010, 132, 11443. (62) Höfer, N.; Aragão, D.; Caffrey, M. Biophys J 2010, 99, L23. (63) Li, L.; Ismagilov, R. F. Ann Rev Biophys 2010. (64) Pal, R.; Yang, M.; Lin, R.; Johnson, B. N.; Srivastava, N.; Razzacki, S. Z.; Chomistek, K. J.; Heldsinger, D. C.; Haque, R. M.; Ugaz, V. M.; Thwar, P. K.; Chen, Z.; Alfano, K.; Yim, M. B.; Krishnan, M.; Fuller, A. O.; Larson, R. G.; Burke, D. T.; Burns, M. A. Lab Chip 2005, 5, 1024. (65) Jayashree, R. S.; Gancs, L.; Choban, E. R.; Primak, A.; Natarajan, D.; Markoski, L. J.; Kenis, P. J. A. J Am Chem Soc 2005, 127, 16758. (66) Wootton, R. C. R.; deMello, A. J. Chem Commun 2004, 266. (67) McPherson, A. J Appl Crystallogr 2000, 33, 397.

Remoção de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos em águas utilizando subprodutos da indústria da cortiça

Os Hidrocarbonetos Aromáticos Policíclicos (HAPs) são contaminantes persistentes em meio aquoso. Estes compostos são conhecidos pelas suas propriedades carcinogénicas, mutagénicas e genotóxicas. O principal objetivo deste trabalho consistiu na avaliação das potencialidades de subprodutos da indústria corticeira, como adsorventes alternativos para a remoção de cinco HAPs em meio aquoso: benzo(a)pireno, benzo(ghi)perileno, benzo(b)fluoranteno, benzo(k)fluoranteno e indeno(1,2,3-cd)pireno. A metodologia analítica para quantificar os HAPs envolveu a preparação das amostras, através da técnica de extração em fase sólida (SPE), e a quantificação dos compostos analisados por cromatografia líquida com detetor de fluorescência (LC-FLD). O método foi otimizado e validado, obtendo-se limites de quantificação de 0,004 μg/L para todos os HAPs. Os estudos incidiram na utilização de uma amostra de cortiça, pó de aglomerado de cortiça expandida (PACE), obtida por aglutinação de cortiça em condições hidrotérmicas, a qual nos estudos preliminares revelou desempenho semelhante aos carvões ativados. Com exceção do benzo(ghi)perileno, os resultados mostram que o processo de adsorção dos HAPs na amostra PACE segue uma cinética de pseudo-segunda ordem e as isotérmicas ajustam-se ao modelo de Langmuir.

Banana peel: an effective biosorbent for aflatoxins

This work reports the application of banana peel as a novel bioadsorbent for in vitro removal of five mycotoxins (aflatoxins (AFB1, AFB2, AFG1, AFG2) and ochratoxin A). The effect of operational parameters including initial pH, adsorbent dose, contact time and temperature were studied in batch adsorption experiments. Scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and point of zero charge (pHpzc) analysis were used to characterise the adsorbent material. Aflatoxins’ adsorption equilibrium was achieved in 15 min, with highest adsorption at alkaline pH (6–8), while ochratoxin has not shown any significant adsorption due to surface charge repulsion. The experimental equilibrium data were tested by Langmuir, Freundlich and Hill isotherms. The Langmuir isotherm was found to be the best fitted model for aflatoxins, and the maximum monolayer coverage (Q0) was determined to be 8.4, 9.5, 0.4 and 1.1 ng mg−1 for AFB1, AFB2, AFG1 and AFG2 respectively. Thermodynamic parameters including changes in free energy (ΔG), enthalpy (ΔH) and entropy (ΔS) were determined for the four aflatoxins. Free energy change and enthalpy change demonstrated that the adsorption process was exothermic and spontaneous. Adsorption and desorption study at different pH further demonstrated that the sorption of toxins was strong enough to sustain pH changes that would be experienced in the gastrointestinal tract. This study suggests that biosorption of aflatoxins by dried banana peel may be an effective low-cost decontamination method for incorporation in animal feed diets. © 2016 Informa UK Limited, trading as Taylor & Francis Group.

Avaliação do potencial da macrófita Pistia stratiotes na exposição de íon cromo (VI): biossorção e tolerância

The environmental pollution caused by industries has increased the concentration of pollutants in the environment, especially in water. Among the most diverse contaminants, there is the metals, who may or may not to be heavy/toxic, causing effluent of difficult treatment when in low concentrations. The search for alternative measures of wastewater effluent treatment has led to studies using phytoremediation technique through the various matrices (plant, fungi, bacteria) as means of polishing treatment to remove contaminants by means of biosorption/bioaccumulation. In order to use the phytoremediation technique for removing metals of the environmental, it have been performed bioassay with the macrophyte Pistia stratiotes. The bioassays were realized with healthy plants of P. stratiotes acclimatized in a greenhouse, at room temperature and lighting conditions during 28 days of cultivate. The cultivations were performed in glass vessels containing 1 L of the hydroponic solution with chromium (VI) in the potassium dichromate form with concentration range 0.10 to 4.90 mg L-1. The experiments were performed by Outlining Central Composite Rotational (OCCR), where the kinetics of bioaccumulation and chlorophyll a fluorescence were monitored in plants of P. stratiotes during cultivation. The collections of the samples and cultive solution were performed according to the OCCR. The chromium levels were measured in samples of P. stratiotes and the remaining solutions by the methodology of atomic absorption spectrometry by flame. The tolerance of P. stratiotes in relation to exposure to chromium (VI) was analyzed by parameters of physiological activity by means of chlorophyll a fluorescence, using the portable fluorometer PAM (Pulse Amplitude Modulation). The development of P. stratiots and their biomass were related to the time factor, while bioaccumulation capacities were strongly influenced by factors of time and chromium concentration (VI). The chlorophyll fluorescence parameters were affected by chromium and the exposure time at the bioassays. It was obtained an higher metal removal from the root in relation to the sheet, reaching a high rate of metal removal in solution. The experimental data removal kinetics were represented by kinetic models Irreversibly Langmuir, Reversible Langmuir, Pseudo-first Order and Pseudo-second Order, and the best fit for the culture solution was the Reversible Langmuir model with R² 0.993 and for the plant the best model was Pseudo-second order with R² 0.760.

Lipid-Based Liquid Crystals As Carriers for Antimicrobial Peptides: Phase Behavior and Antimicrobial Effect

International audience

Qualification des données acquises par la station de mesure MOLIT en baie de Vilaine entre février et octobre 2014

La station de mesure Molit entre dans la gamme des produits MAREL. Cette gamme est constituée d’outils développés pour l’observation en continu de paramètres hydrologiques. La bouée Molit a été déployée en baie de Vilaine du 26 février 2014 au 17 octobre 2014. Cette station est équipée d’une sonde multiparamètre MP6 qui mesure les paramètres : température, salinité, oxygène dissous, turbidité et fluorescence. Les mesures sont réalisées à 2 niveaux (surface et fond) avec une fréquence d’une mesure horaire. Les données acquises par la bouée MOLIT sont transmises par liaison GSM numérique et peuvent être consultées sur le site web : http://www.ifremer.fr/co-en/. Un outil de contrôle qualité SCOOP2 permet de valider les données. Elles peuvent être qualifiées selon plusieurs états : bon, moyen, douteux, mauvais, modifié, interpolé ou absent. Ce document synthétise les informations permettant de qualifier les données : contrôles in-situ de la sonde multiparamètre réalisés par le laboratoire LER/MPL, historique des opérations de maintenance pendant la période de déploiement, constats de vérification des sondes multiparamètres après campagne.

Understanding the adsorption of salmon calcitonin, antimicrobial peptide AP114 and polymyxin B onto lipid nanocapsules

International audience

Purificação de C-ficocianina e sua incorporação em nanofibras

C-ficocianina (C-FC) é uma ficobiliproteína, de cor natural azul, com diversas aplicações na indústria alimentícia, farmacêutica e biomédica, dependendo do seu grau específico de pureza, que pode variar de 0,7 a 4,0, com respectivo aumento de seu valor comercial. Essa pureza é alcançada através de diversas técnicas de purificação, que podem ser aplicadas em diferentes sequências. Um destes processos de purificação de proteínas baseia-se na cromatografia de troca iônica, que utiliza trocadores que adsorvem as proteínas como resultado de interações iônicas entre a superfície da proteína e o trocador. Resinas e colunas de leito expandido podem ser utilizadas para aumentar a produtividade dessa técnica. É fundamental conhecer o perfil do processo de adsorção, para melhor aplicá-lo como ferramenta para o design e otimização de parâmetros operacionais. Outra tecnologia para o tratamento de biomoléculas é a ultrafiltração. Esta técnica é aplicável em larga escala, apresenta baixa complexidade de aplicação e pode ser realizada em condições brandas, minimizando o dano para o produto. Para aumentar a estabilidade da C-FC, e facilitar a sua aplicação, podem ser avaliadas técnicas recentes, não exploradas para este fim, como as nanofibras obtidas através do processo de electrospinning. Estas fibras possuem uma área superficial específica extremamente elevada devido a seu pequeno diâmetro. O objetivo deste trabalho foi avaliar parâmetros de adsorção e diferentes técnicas para purificação de C-ficocianina de Spirulina platensis e obter nanofibras poliméricas incorporadas de C-ficocianina. O trabalho foi dividido em quatro artigos. No primeiro artigo, foram avaliados os parâmetros e as isotermas de adsorção de C-ficocianina em resina de troca iônica para leito expandido Streamline® DEAE. Verificou-se que o maior coeficiente de partição foi obtido em pH 7,5, nas temperaturas de 15 e 25 °C. As isotermas de adsorção da Cficocianina foram bem representadas pelos modelos de Langmuir, de Freundlich e de Langmuir-Freundlich, sendo os valores estimados para Qm e Kd obtidos pela isoterma de Langmuir foram, respectivamente, 33,92 mg.mL-1 e 0,123 mg.mL-1, respectivamente. No segundo artigo foi avaliada a purificação de C-FC até grau alimentar, utilizando ultrafiltração (UF). Com a membrana de 50 kDa, identificou-se que somente a temperatura e a aplicação de diferentes ciclos de diafiltração (DF) causaram influência significativa sobre a purificação e recuperação da C-ficocianina. Foram então aplicados o aumento gradativo da quantidade de ciclos, e a diafiltração previamente à ultrafiltração (DF/UF), onde obteve-se um extrato de Cficocianina com pureza de 0,95. No terceiro artigo foram propostos processos de purificação, envolvendo a utilização das diferentes técnicas para obtenção de C-FC com diferentes purezas. Determinou-se que a partir de cromatografia de troca iônica em leito fixo seguido de DF/UF, obtém-se C-FC para uso em cosméticos e a partir de precipitação com sulfato de amônio, e DF/UF obtém-se C-FC para uso em biomarcadores. Com uma sequência de precipitação com sulfato de amônio, DF/UF e cromatografia de troca iônica em leito fixo chega-se a C-FC de grau analítico. No último artigo, C-FC foi incorporada a nanofibras de óxido de polietileno (PEO) através de processo de electrospinning. Foram determinadas a condutividade da solução de C-FC/PEO, a estrutura e comportamento termogravimétrico das nanofibras formadas. Soluções de polímeros com concentração de 6 e 8% proporcionaram a formação de nanofibras com diâmetro médio inferior a 800 nm, homogêneas, sem a presença de gotas. A análise termogravimétrica identificou aumento na resistência térmica da C-FC incorporada nas fibras.

Avaliação da hidrólise alcalina da quitina e elaboração de filmes de quitosana para aplicação na adsorção do corante têxtil reativo preto 5

Nesta pesquisa, diferentes amostras de quitosana foram produzidas por diferentes condições de hidrólise alcalina da quitina. A partir das amostras de quitosana foram produzidos filmes,sendo estes aplicados na adsorção do corante têxtil reativo preto 5 e os resultados foram comparados com os dos seus respectivos pós. Os valores das massas molares da quitosana aumentaram em função do aumento do diâmetro da quitina e diminuíram com o aumento da relação de solução NaOH:quitina, da concentração de NaOH e tempo de reação, e ficaram na faixa de 100 a 200 kDa. Um comportamento inverso foi observado para o grau de desacetilação da quitosana, e seus valores variaram de 65 a 95%. Quanto aos filmes biopoliméricos elaborados, os que apresentaram melhores valores quanto as suas propriedades mecânicas e de permeabilidade ao vapor de água foram os filmes produzidos com quitosana de mais elevada massa molar e menor grau de desacetilação. A fim de avaliar o comportamento dos filmes em processos de adsorção, estes foram aplicados na remoção do corante reativo preto 5 (RB5) em diferentes condições de pH (4, 6 e 8). Após, foram escolhidos quatro filmes de quitosana (FQ), com diferentes graus de desacetilação e massas molares, que foram comparados com as quitosanas na forma de pó (PQ) no estudo de adsorção. Este foi realizado sob diversas condições experimentais (pH, temperatura e taxa de agitação) através das isotermas de equilíbrio, da termodinâmica e da cinética. Análises de interação e ciclos de adsorção-dessorção também foram realizados. Verificou-se que PQ e FQ com grau de desacetilação de 95% e massa molar de 100 kDa foram os adsorvente mais adequados, apresentando mais de 99% de remoção do corante RB5 em pH 4,0. Para ambos, PQ e FQ, o modelo de Langmuir foi o mais adequado para representar os dados de equilíbrio. As capacidades máximas de adsorção foram 654,3 e 589,5 mg g-1 para PQ e FQ, respectivamente, obtidos a 298 K. O processo de adsorção foi espontâneo, favorável e exotérmico. A adsorção de RB5 para PQ e FQ seguiu o modelo cinético de Elovich,e ocorreram interações eletrostáticas do PQ-RB5 e do FQ-RB5. Os filmes de quitosana foram reutilizados três vezes, enquanto que a quitosana em pó não pode ser reutilizada.

Adsorção de corantes têxteis aniônicos e catiônicos em resíduos do processamento de fios de algodão modificados quimicamente

The textile industry generates a large volume of high organic effluent loading whoseintense color arises from residual dyes. Due to the environmental implications caused by this category of contaminant there is a permanent search for methods to remove these compounds from industrial waste waters. The adsorption alternative is one of the most efficient ways for such a purpose of sequestering/remediation and the use of inexpensive materials such as agricultural residues (e.g., sugarcane bagasse) and cotton dust waste (CDW) from weaving in their natural or chemically modified forms. The inclusion of quaternary amino groups (DEAE+) and methylcarboxylic (CM-) in the CDW cellulosic structure generates an ion exchange capacity in these formerly inert matrix and, consequently, consolidates its ability for electrovalent adsorption of residual textile dyes. The obtained ionic matrices were evaluated for pHpcz, the retention efficiency for various textile dyes in different experimental conditions, such as initial concentration , temperature, contact time in order to determine the kinetic and thermodynamic parameters of adsorption in batch, turning comprehensive how does occur the process, then understood from the respective isotherms. It was observed a change in the pHpcz for CM--CDW (6.07) and DEAE+-CDW (9.66) as compared to the native CDW (6.46), confirming changes in the total surface charge. The ionized matrices were effective for removing all evaluated pure or residual textile dyes under various tested experimental conditions. The kinetics of the adsorption process data had best fitted to the model a pseudosecond order and an intraparticle diffusion model suggested that the process takes place in more than one step. The time required for the system to reach equilibrium varied according to the initial concentration of dye, being faster in diluted solutions. The isotherm model of Langmuir was the best fit to the experimental data. The maximum adsorption capacity varied differently for each tested dye and it is closely related to the interaction adsorbent/adsorbate and dye chemical structure. Few dyes obtained a linear variation of the balance ka constant due to the inversion of temperature and might have influence form their thermodynamic behavior. Dyes that could be evaluated such as BR 18: 1 and AzL, showed features of an endothermic adsorption process (ΔH° positive) and the dye VmL presented exothermic process characteristics (ΔH° negative). ΔG° values suggested that adsorption occurred spontaneously, except for the BY 28 dye, and the values of ΔH° indicated that adsorption occurred by a chemisorption process. The reduction of 31 to 51% in the biodegradability of the matrix after the dye adsorption means that they must go through a cleaning process before being discarded or recycled, and the regeneration test indicates that matrices can be reused up to five times without loss of performance. The DEAE+-CDW matrix was efficient for the removal of color from a real textile effluent reaching an UV-Visible spectral area decrease of 93% when applied in a proportion of 15 g ion exchanger matrix L-1 of colored wastewater, even in the case of the parallel presence of 50 g L-1 of mordant salts in the waste water. The wide range of colored matter removal by the synthesized matrices varied from 40.27 to 98.65 mg g-1 of ionized matrix, obviously depending in each particular chemical structure of the dye upon adsorption.

Estudo cinético do branqueamento do óleo da carpa (Cyprinus carpio L)

O óleo de pescado é caracterizado por ser uma fonte rica de ácidos graxos poliinsaturados ω-3, desde modo a sua oxidação lipídica se torna mais favorável quando comparado com outros óleos de origem vegetal. O objetivo do presente trabalho foi a otimização da etapa de branqueamento através da metodologia de superfície de resposta, sendo utilizado misturas de carvão ativado e terra ativada (Tonsil) para a remoção da cor e dos produtos de oxidação, procurando-se preservar o conteúdo total de carotenóides no óleo de carpa. O óleo bruto de carpa (Cyprinus carpio L.) para a realização do trabalho foi obtido a partir da realização de ensilagem ácida, passando posteriormente pelas etapas de refino: degomagem, neutralização, lavagem, secagem e branqueamento. A otimização da etapa de branqueamento foi realizada através de um planejamento fatorial composto central, com os fatores de estudo: a quantidade de adsorvente (Ads) e a quantidade de carvão ativado (Ca), sendo consideradas como respostas o conteúdo total de carotenóides e o valor de TBA. Na melhor condição do branqueamento do óleo de carpa foi realizado um estudo cinético, e para o cálculo das constantes cinéticas foram utilizados os modelos de Brimberg modificado e de Langmuir-Hinshelwood, A condição ótima do branqueamento foi com 2% de adsorvente e 10% de carvão ativado, onde ocorreram menores perdas de carotenóides (44,40%), com redução da cor escura presente no óleo de (85,62%) e redução do valor de TBA (73,10%), obtendo-se um óleo branqueado de carpa com qualidade oxidativa e melhor aspecto em relação à cor. Os dois modelos cinéticos representaram de forma satisfatória os dados experimentais do branqueamento do óleo de carpa, pelos altos coeficientes de determinação e baixos erros médios relativos apresentados. Foi possível observar que ocorreu uma rápida adsorção dos pigmentos carotenóides, e após 30 min a adsorção foi menos eficiente. Nos óleos bruto e branqueado de vísceras de carpa não foi identificada diferença significativa entre as concentrações de ácidos graxos, demonstrando que as etapas de refino utilizadas não alteraram o perfil de ácidos graxos do óleo bruto.

Avaliação de Impacto Ambiental, Valorização do Efluente e dos Resíduos Sólidos da Indústria Corticeira

A preocupação com o meio ambiente, nomeadamente na descarga de águas residuais, consumo de água excessivo e produção de resíduos industriais, está cada vez mais presente no quotidiano. Devido a estas problemáticas, efetuou-se a avaliação de impacte ambiental (AIA) do processo produtivo das rolhas de cortiça naturais, tratamento das águas de cozedura da cortiça (estudo da possível reutilização do efluente tratado) e valorização de subprodutos – resíduo sólido (raspa de cortiça), sendo estes os objetivos propostos para a realização da presente dissertação. Na AIA, efetuada no decorrer das fases da Análise do Ciclo de Vida (ACV), foram selecionadas 8 categorias de impacte – aquecimento global, acidificação, dessecação, toxicidade e ecotoxicidade, eutrofização, consumo de recursos não renováveis e oxidação foto-química. A água de cozedura caracterizou-se por uma elevada carga poluente, apresentando elevada concentração de cor, Carência Química de Oxigénio (CQO), taninos e lenhina e Sólidos Suspensos Totais (SST). O processo de tratamento proposto consistiu num pré-tratamento por ultrafiltração (UF), com membranas de 30.000 e 20.000 MWCO, seguido de adsorção por carvão ativado (comercial e produzido a partir de raspa de cortiça). No tratamento por UF, utilizando uma membrana de 30.000 MWCO, foram obtidas percentagens de remoção para a primeira amostra de água de cozedura de 74,8 % para a cor, 33,1 % para a CQO e para a segunda amostra de 85,2 % para a cor e 41,8 % para a CQO. Posteriormente, apenas para a segunda amostra de água de cozedura e com uma membrana de 20.000 MWCO, as percentagens de remoção obtidas foram superiores, de 93% para a cor, 68,9 % para a CQO, 88,4 % para taninos e lenhina e 43,0 % para azoto total. No tratamento por adsorção com carvão ativado estudou-se o tempo de equilíbrio do carvão ativado comercial e do carvão ativado produzido a partir de aparas de cortiça, seguindo-se o estudo das isotérmicas de adsorção, no qual foram analisados os parâmetros da cor e CQO para cada solução. Os ajustes dos modelos teóricos aos pontos experimentais demonstraram que ambos os modelos (Langmuir e Freundlich) poderiam ser considerados, uma vez que apresentaram ajustes idênticos. Relativamente ao tratamento de adsorção em contínuo do permeado, obtido por UF com membrana de 20.000 MWCO, constatou-se que ambos os carvões ativados (comercial e produzido) não ficaram saturados, tendo em consideração os tempos de saturação estimados pela capacidade máxima de adsorção (determinada para a isotérmica de Langmuir) e as representações gráficas dos valores experimentais obtidos para cada ensaio. No ensaio de adsorção com carvão ativado comercial verificou-se que o efluente tratado poderia ser descarregado no meio hídrico ou reutilizado no processo industrial (considerando os parâmetros analisados), uma vez que até aos 11 minutos de ensaio a concentração da solução à saída foi de 111,50 mg/L O2, para a CQO, e incolor, numa diluição de 1:20. Em relação à adsorção em contínuo com carvão ativado produzido verificou-se no ensaio 4 que o efluente resultante apresentou uma concentração de CQO de 134,5 mg/L O2 e cor não visível, numa diluição de 1:20, ao fim de 1h22 min de ensaio. Assim, concluiu-se que os valores obtidos são inferiores aos valores limite de emissão (VLE) presentes no Decreto-Lei n.º 236/98 de 1 de Agosto. O carvão ativado produzido apresentou elevada área superficial específica, com 870 m2/g, comparativamente ao carvão comercial que foi de 661 m2/g. O processo de extração da suberina a partir de raspa de cortiça isenta de extraíveis, efetuado através da metanólise alcalina, apresentou percentagens de extração superiores aos restantes métodos. No processo efetuado em scale-up, por hidrólise alcalina, obteve-se uma extração de 3,76 % de suberina. A aplicação da suberina no couro demonstrou que esta cera apresenta enormes potencialidades, uma vez que a sua aplicação confere ao couro um aspeto sedoso, com mais brilho e um efeito de “pull-up”.