Obtenção e identificação de grânulos de polihidroxialcanoatos (PHA) presentes em biomassa de um reator descontínuo sequencial (SBR) com tratamento de águas residuais

As implicações ambientais dos plásticos convencionais, produzidos através de combustíveis fósseis, não permitem a sua utilização de forma sustentável pela sociedade devido aos seus problemas de degradabilidade e à sua dependência de matérias-primas não renováveis. Surgem então os polihidroxialcanoatos (PHA) como uma alternativa ambientalmente sustentável, já que conseguem reproduzir grande parte das aplicações dos plásticos ditos normais, tendo as grandes vantagens de serem biodegradáveis e produzidos a partir de uma fonte de carbono renovável. Mais recentemente, de forma a tornar a produção do PHA mais sustentável, tem-se desenvolvido o conceito de associar a produção destes polímeros ao tratamento de efluentes líquidos através do processo de lamas ativadas. Apesar destas vantagens todo o processo que envolve a produção do PHA é ainda dispendioso. Esta dissertação insere-se na estratégia de tentar minorar esses custos. Uma das formas de o fazer será na otimização de técnicas de quantificação do PHA em culturas mistas. Neste trabalho o principal objetivo reside na avaliação da capacidade da metodologia de análise de imagem, acoplada a microscopia de fluorescência, como método de quantificação de PHA. Pretende-se também explorar a produção de PHA a partir da simulação de um sistema de tratamento de águas residuais implementado num reator descontínuo sequencial (SBR) em regimes cíclicos de feast/famine, aliando assim a função de tratamento de efluentes líquidos com a produção de um produto de valor acrescentado como é o PHA. Deste modo, foi montada uma instalação com um sistema de lamas ativadas num SBR cujo principal objetivo era produzir PHA. Este objetivo de produzir PHA através do regime de alimentação dinâmica aeróbia com uma alimentação com acetato como fonte de carbono, e sem controlo do pH foi conseguido, atingindo-se um máximo de concentração mássica de 0,37 mg PHA/mg SST e de concentração volumétrica de 1785 mg PHA/L. Em relação à capacidade de tratamento, comprovou-se a adequabilidade do sistema utilizado para a remoção da carga orgânica devido a uma elevada captação de nutrientes do afluente pela biomassa. Foram encontradas algumas limitações na metodologia de análise de imagem ao nível da transformação da bidimensionalidade da área projetada dos grânulos de PHA nas imagens para a sua tridimensionalidade real, na gama de concentração de PHA na qual a metodologia é válida e na amostragem relativamente curta. Contudo, foi possível comprovar a potencialidade deste método obtendo-se um R2 de 0,80 para o modelo de previsão da concentração mássica de PHA. Deste modo, pode-se concluir que esta é uma metodologia promissora para quantificar PHA em amostras de licor misto.

Bioethanol production from a sub-product of pulping industry

A vida da sociedade atual é dependente dos recursos fósseis, tanto a nível de energia como de materiais. No entanto, tem-se verificado uma redução das reservas destes recursos, ao mesmo tempo que as necessidades da sociedade continuam a aumentar, tornando cada vez mais necessárias, a produção de biocombustíveis e produtos químicos. Atualmente o etanol é produzido industrialmente a partir da cana-de-açúcar e milho, matérias-primas usadas na alimentação humana e animal. Este fato desencadeou o aumento de preços dos alimentos em todo o mundo e, como consequência, provocou uma série de distúrbios sociais. Os subprodutos industriais, recursos independentes das cadeias alimentares, têm-se posicionado como fonte de matérias-primas potenciais para bioprocessamento. Neste sentido, surgem os subprodutos gerados em grande quantidade pela indústria papeleira. Os licores de cozimento da madeira ao sulfito ácido (SSLs) são uma matériaprima promissora, uma vez que durante este processo os polissacarídeos da madeira são hidrolisados originando açúcares fermentáveis. A composição dos SSLs varia consoante o tipo de madeira usada no processo de cozimento (de árvores resinosas, folhosas ou a mistura de ambas). O bioprocessamento do SSL proveniente de folhosas (HSSL) é uma metodologia ainda pouco explorada. O HSSL contém elevadas concentrações de açúcares (35-45 g.L-1), na sua maioria pentoses. A fermentação destes açúcares a bioetanol é ainda um desafio, uma vez que nem todos os microrganismos são capazes de fermentar as pentoses a etanol. De entre as leveduras capazes de fermentar naturalmente as pentoses, destaca-se a Scheffersomyces stipitis, que apresenta uma elevada eficiência de fermentação. No entanto, o HSSL contém também compostos conhecidos por inibirem o crescimento de microrganismos, dificultando assim o seu bioprocessamento. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho foi a produção de bioetanol pela levedura S. stipitis a partir de HSSL, resultante do cozimento ao sulfito ácido da madeira de Eucalyptus globulus. Para alcançar este objetivo, estudaram-se duas estratégias de operação diferentes. Em primeiro lugar estudou-se a bio-desintoxicação do HSSL com o fungo filamentoso Paecilomyces variotii, conhecido por crescer em resíduos industriais. Estudaram-se duas tecnologias fermentativas diferentes para a biodesintoxicação do HSSL: um reator descontínuo e um reator descontínuo sequencial (SBR). A remoção biológica de inibidores do HSSL foi mais eficaz quando se usou o SBR. P. variotii assimilou alguns inibidores microbianos como o ácido acético, o ácido gálico e o pirogalol, entre outros. Após esta desintoxicação, o HSSL foi submetido à fermentação com S. stipitis, na qual foi atingida a concentração máxima de etanol de 2.36 g.L-1 com um rendimento de 0.17 g.g-1. P. variotti, além de desintoxicar o HSSL, também é útil na produção de proteína microbiana (SCP) para a alimentação animal pois, a sua biomassa é rica em proteína. O estudo da produção de SCP por P. variotii foi efetuado num SBR com HSSL sem suplementos e suplementado com sais. A melhor produção de biomassa foi obtida no HSSL sem adição de sais, tendo-se obtido um teor de proteína elevado (82,8%), com uma baixa concentração de DNA (1,1%). A proteína continha 6 aminoácidos essenciais, mostrando potencial para o uso desta SCP na alimentação animal e, eventualmente, em nutrição humana. Assim, a indústria papeleira poderá integrar a produção de bioetanol após a produção SCP e melhorar a sustentabilidade da indústria de pastas. A segunda estratégia consistiu em adaptar a levedura S. stipitis ao HSSL de modo a que esta levedura conseguisse crescer e fermentar o HSSL sem remoção de inibidores. Operou-se um reator contínuo (CSTR) com concentrações crescentes de HSSL, entre 20 % e 60 % (v/v) durante 382 gerações em HSSL, com uma taxa de diluição de 0.20 h-1. A população adaptada, recolhida no final do CSTR (POP), apresentou uma melhoria na fermentação do HSSL (60 %), quando comparada com a estirpe original (PAR). Após esta adaptação, a concentração máxima de etanol obtida foi de 6.93 g.L-1, com um rendimento de 0.26 g.g-1. POP possuía também a capacidade de metabolizar, possivelmente por ativação de vias oxidativas, compostos derivados da lenhina e taninos dissolvidos no HSSL, conhecidos inibidores microbianos. Por fim, verificou-se também que a pré-cultura da levedura em 60 % de HSSL fez com que a estirpe PAR melhorasse o processo fermentativo em HSSL, em comparação com o ensaio sem pré-cultura em HSSL. No entanto, no caso da estirpe POP, o seu metabolismo foi redirecionado para a metabolização dos inibidores sendo que a produção de etanol decresceu.

Produção de lípidos estruturados por acidólise de óleo de semente de abóbora

Dissertação de mest., Tecnologia dos Alimentos, Instituto Superior de Engenharia, Univ. do Algarve, 2013

Definição do modo de operação, descontínuo ou semi-descontínuo, para produção de bioetanol utilizando um novo substrato misto pela levedura Kluyveromyces sp.

Dissertação de mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Otimização de reator sequencial em batelada para remoção biológica de carbono e nitrogênio com controle difuso

Este trabalho apresenta a estruturação de um controle difuso, para a automação de reatores seqüenciais em batelada (RSB), no processo de remoção biológica de matéria orgânica e nitrogênio em águas residuárias domésticas, utilizando parâmetros inferenciais, pH, ORP e OD, em que as variáveis controladas foram as durações da reação aeróbia e anóxica. O experimento, em escala de bancada, foi composto por dois reatores seqüenciais em batelada, com volume útil de 10 L, no qual 6 L foram alimentados com esgoto sintético, com características de águas residuárias domésticas. O sistema de automação foi composto pela aquisição dos parâmetros eletroquímicos (pH, ORP e OD), pelos dispositivos atuadores (motor-bomba, aerador e misturador) e pelo controle predeterminado ou difuso. O programa computacional CONRSB foi implementado de forma a integrar o sistema de automação. O controle difuso, implementado, foi constituído pelos procedimentos de: normalização, nebulização, inferência, desnebulização e desnormalização. As variáveis de entrada para o controlador difuso, durante o período: aeróbio foram dpH/dt, dpH/d(t-1) e o pH ; anóxico foram dORP/dt, dORP/d(t-1) e o OD. As normalizações das variáveis crisps estiveram no universo de [0,1], utilizando os valores extremos do ciclo 1 ao 70. Nas nebulizações foram aplicadas as funções triangulares, as quais representaram, satisfatoriamente, as indeterminações dos parâmetros. A inferência nebulosa foi por meio da base heurística (regras), com amparo do especialista, em que a implicação de Mamdani foi aplicada Nessas implicações foram utilizadas dezoito expressões simbólicas para cada período, aeróbio e anóxico. O método de desnebulização foi pelo centro de áreas, que se mostrou eficaz em termos de tempo de processamento. Para a sintonia do controlador difuso empregou-se o programa computacional MATLAB, juntamente com as rotinas Fuzzy logic toolbox e o Simulink. O intervalo entre as atuações do controlador difuso, ficou estabelecido em 5,0 minutos, sendo obtido por meio de tentativas. A operação do RSB 1, durante os 85 ciclos, apresentou a relação média DBO/NTK de 4,67 mg DBO/mg N, sendo classificado como processo combinado de oxidação de carbono e nitrificação. A relação média alimento/microrganismo foi de 0,11 kg DBO/kg sólido suspenso volátil no licor misto.dia, enquadrando nos sistemas com aeração prolongada, em que a idade do lodo correspondeu aos 29 dias. O índice volumétrico do lodo médio foi de 117,5 mL/g, indicando uma sedimentação com características médias. As eficiências médias no processo de remoção de carbono e nitrogênio foram de 90,8% (como DQO) e 49,8%, respectivamente. As taxas específicas médias diárias, no processo de nitrificação e desnitrificação, foram de 24,2g N/kg SSVLM.dia e 15,5 g N/kg SSVLM.dia, respectivamente. O monitoramento, em tempo real, do pH, ORP e OD, mostrou ter um grande potencial no controle dos processos biológicos, em que o pH foi mais representativo no período aeróbio, sendo o ORP e o OD mais representativos no período anóxico. A operação do RSB com o controlador difuso, apresentou do ciclo 71 ao 85, as eficiências médias no processo de remoção de carbono e nitrogênio de 96,4% (como DQO) e 76,4%, respectivamente. A duração média do período aeróbio foi de 162,1 minutos, que tomando como referência o período máximo de 200,0 minutos, reduziu em 19,0% esses períodos. A duração média do período anóxico foi de 164,4 minutos, que tomando como referência o período máximo de 290,0 minutos, apresentou uma redução de 43,3%, mostrando a atuação robusta do controlador difuso. O estudo do perfil temporal, no ciclo 85, mostrou a atuação efetiva do controlador difuso, associada aos pontos de controle nos processos biológicos do RSB. Nesse ciclo, as taxas máximas específicas de nitrificação e desnitrificação observadas, foram de 32,7 g NO3 --N/kg sólido suspenso volátil no licor misto.dia e 43,2g NO3 --N/kg sólido suspenso volátil no licor misto.dia, respectivamente.

Tratamento de águas residuárias de suinocultura em reatores anaeróbios de fluxo ascendente com manta de lodo (uasb) em dois estágios seguidos de reator operado em batelada sequencial (RBS)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Tratamento de águas residuárias de suinocultura em reatores anaeróbios horizontais seguidos de reator aeróbio em batelada sequencial

Avaliou-se o desempenho de um sistema combinado anaeróbio-aeróbio para o tratamento de águas residuárias de suinocultura, com concentrações médias de sólidos suspensos totais (SST) de 18.624 e 11.395 mg L-1. Foram utilizados quatro reatores anaeróbios horizontais com volume total de 49,5 L cada, um com manta de lodo (RAHML) e três de leito fixo (RAHLF), instalados em série e seguidos de um reator aeróbio operado em batelada sequencial (RBS) com volume total de 339 L e com alimentação contínua. Nos RAHLF, foram utilizados como meios suporte de anéis de bambu, anéis plásticos de eletroduto corrugado e anéis de bucha (Luffa cillyndrica), respectivamente. Os tempos de detenção hidráulica (TDH) e as cargas orgânicas volumétricas (COV) aplicadas no RAHML foram de 12 e 10 h e 53 e 61 g DQO (L d)-1, respectivamente. O RBS foi operado com ciclo de 24 h e COV de 0,34 e 0,50 g DQO (L d)-1. As eficiências médias de remoção de DQOtotal e SST para o conjunto de reatores anaeróbios horizontais, em série, foram de 96 e 99%, e de 96 e 95%, respectivamente. As maiores produções volumétricas de metano ocorreram nos RAHLF, com valores médios de até 0,744 m³ CH4 (m³ reator d)-1. A inclusão do RBS permitiu melhorar a qualidade do efluente e a estabilidade do sistema de tratamento, atingindo eficiências de remoção de DQOtotal e SST de 99 e 99%, e de 98 e 99%, respectivamente. No RBS, ocorreu nitrificação e desnitrificação, com remoções de N-amoniacal de até 65%.

Tratamento de águas residuárias de suinocultura em reator anaeróbio operado em batelada sequencial

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Degradação da manipueira utilizando reator de lodo ativado em batelada sequencial com elevado tempo de paralisação intermitente da aeração

Conselho Nacional de Desenvolvimento em Pesquisa (CNPq)

Cinética de inibição do etanol e consumo de açúcar, em reator biológico, usando resíduos industriais de citrinos e de alfarroba. Aumento de escala de produção em unidade-piloto

Dissertação de mest., Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2013

Reatores anaeróbios operados em batelada sequencial, seguidos de lagoas de polimento, para o tratamento de águas residuárias de suinocultura. Parte I: produção de metano e remoção de DQO e de sólidos suspensos

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Remoção de matéria orgânica e nitrogênio de efluentes provenientes de abatedouros de bovinos por meio de reator aeróbio operando em bateladas sequenciais com adição de coagulante químico

The volume of liquid effluent generated in cattle slaughterhouses is quite high and cannot be released untreated in water bodies due to its high pollution load of predominantly organic origin. To minimize the environmental impacts of its industrial wastewater and meet the local environmental legislation, abattoirs shall make the treatment of these effluents. The present work aims to develop the study of a reactor by sequential batch pilot scale, in order to optimize their performance in treating wastewater from a cattle slaughterhouse. The treatment system used was developed and installed in the Laboratory of Wastewater Treatment, in Faculty of Science and Technology UNESP, Presidente Prudente campus. The procedure used followed the operation of sequential batch reactors, in which all processes and treatment operations occurring sequentially in a single unit, by establishing specific operating cycles, which comprise the following separated phases: aerobic reaction, anoxic reaction, sedimentation and emptying. Aiming to improve the quality of treatment was planned the addition of coagulant Poly Aluminum Chloride (PAC) in the reactor, by determining their optimal dosage by Jar-test trials. Were prepared four steps with specific operating cycles: step one or acclimatization (10 hour of aeration, one hour and 30 minutes of sedimentation and 30 minutes for exchanging the effluent); step 2 (6 hours of aeration or aerobic phase, 4 hours and 45 minutes of stirring or anoxic phase and 1 hour and 15 minutes for sedimentation and exchange effluent); step 3 (2 hours and 30 minutes of aeration, 8 hours and 15 minutes of stirring and 1 hour and 15 minutes for sedimentation and exchange) and step 4 (2 hours of aeration, 8 hours and 45 minutes of stirring and 1 hour and 15 minutes for sedimentation and exchange)... (Complete abstract click electronic access below)

Tratamento de efluentes provenientes de abatedouro de bovinos por meio de reator enzimático seguido de reator aeróbio operado em bateladas sequenciais

Brazil has one of the largest cattle herds in the world, so the cattle slaughter is one of the most important economic activities in the Brazilian market. But this activity requires a high demand of water, resulting in serious problems about the correct disposal of wastewater generated in the process. This effluent has a high pollution load, becoming its receiving bodies (streams and rivers) unfit for various activities such as public water supply, recreation, fisheries. To minimize the environmental impacts of its industrial wastewater and fallow the local environmental legislation, refrigerators must make the treatment of these effluents. This study aimed to verify the efficiency of a enzymatic reactor, when occur hydrolysis of lipids present in the effluent industrial of an cattle slaughter industry. The treatment system used was composed of two separate reactors: one being the anaerobic fluidized bed reactor (AFBR), inoculated with immobilized enzymes on the matrix support, and the other by sequential batch reactor (SBR) inoculated with activated sludge. Whereas, the reactors have been developed and installed at the Wastewater Treatment Laboratory, Faculdade de Ciências e Tecnologia, UNESP, campus Presidente Prudente. The procedure operating occurred differently for each reactor: preparation and inoculation of enzyme granules, filling the reactor, hydrolysis, and AFBR emptying, filling, aerobic reaction, sedimentation, and emptying the SBR. We performed three experimental stages, with the first and second stage of the work were done reactor analyzes separately, and the third step of the analysis were made with the interconnected reactors... (Complete abstract electronic access below)

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.

Reator anaeróbio em batelada seqüencial contendo biomassa imobilizada submetido a aumento de carga orgânica tratando água residuária sintética

Nesse estudo, procurou-se investigar a influência do aumento de carga orgânica em um ASBR operado a 30ºC, agitado mecanicamente e contendo microrganismos imobilizados em suporte inerte. Para tal, foi aplicado um carregamento orgânico volumétrico variando de 1,5 a 6,0 g DQO/L.dia, alimentando-se um reator construído em acrílico (5,4 L) com 2 L de água residuária sintética com concentrações de 500 a 2000 mg DQO/L com fontes de carboidrato/proteína/lipídio, em bateladas de 8 a 12 h. O sistema apresentou eficiências de remoção de material orgânico entre 73% e 88% para as condições estudadas. Entretanto, quando o reator foi alimentado com uma concentração de 2000 mg DQO/L em bateladas de 8 h, verificou-se o acúmulo de ácidos voláteis totais, refletindo na redução da eficiência de remoção de material orgânico para 55%, para amostras filtradas. Os perfis dinâmicos ao longo da batelada permitiram concluir que, para a condição com o mesmo carregamento orgânico, porém com concentrações afluentes e tempos de ciclo diferentes, a produção inicial de ácidos voláteis totais foi mais acentuada para o caso de alimentação com maior concentração. Para condições com concentrações afluentes iguais, o tempo a mais para o ciclo foi fundamental para obter-se efluente de melhor qualidade em termos de remoção de matéria orgânica.