Os polímeros microbianos são uma classe de materiais considerados uma alternativa aos polímeros derivados do petróleo, pois são biodegradáveis e produzidos a partir de matérias-primas renováveis. Os polihidroxialcanoatos (PHA) é uma família de polímeros microbianos que tem se destacado nos últimos anos. PHA são poliésteres sintetizados intracelularmente como fonte de energia e carbono por vários microrganismos. Atualmente, a produção e comercialização de PHA em grandes escalas é prejudicada pelo alto custo produtivo, que está associado ao uso de substratos bem definidos e culturas puras de microrganismos. Dessa maneira, os PHA têm atraído a atenção de pesquisadores no sentido de viabilizar um processo de produção economicamente viável e, eventualmente, aumentar a produção para minimizar os problemas ambientais causados pelo uso de plásticos derivados do petróleo. A opção mais promissora para isso é a combinação de consórcios microbianos e águas residuárias. Diversos estudos ao redor do mundo já foram conduzidos nesse sentido, incluindo experiências em escala piloto. Entretanto, estudos brasileiros que investigaram a produção de PHA aplicando consórcios microbianos e águas residuárias são escassos. Recentemente, esse cenário foi impulsionado por um trabalho, no qual foi avaliado o reaproveitamento de uma água residuária abundante no Brasil, a vinhaça de cana-de-açúcar, para produção de PHA. Os resultados encontrados foram promissores e mais pesquisas são necessárias para resolver os gargalos e viabilizar o processo de produção de PHA a partir de vinhaça de cana-de-açúcar. Nesse sentido, o presente trabalho visa a construção de modelos matemáticos que descrevam a produção de PHA a partir de vinhaça de cana-de-açúcar. Tais modelos podem ser usados para estimar e identificar parâmetros cinéticos e estequiométricos característicos do processo, auxiliando na elaboração de experimentos e previsão do efeito de variáveis operacionais. Os modelos desenvolvidos nesta pesquisa descrevem as etapas de seleção de espécies produtoras de PHA e de acumulação de PHA. O modelo de seleção descreve o processo ocorrendo em um reator de bateladas sequenciais (SBR) submetido a condições de feast-famine e fornecimento desacoplado de carbono e nitrogênio sendo capaz de simular dados experimentais em diferentes condições operacionais. O modelo de acumulação descreve o processo em um reator de batelada alimentada e considera que tanto o consumo de substrato e produção de PHA são processos que ocorrem sem inibição, além disso o modelo de acumulação também considera a evolução de biomassa dentro do reator. Todos os modelos construídos foram submetidos a uma análise de sensibilidade local relativa a parâmetros e variáveis sendo possível identificar os parâmetros mais influentes dos processos e diminuir o número de parâmetros a serem determinados. Para determinação dos parâmetros, foi aplicado o método de otimização de parâmetros de Monte Carlo com Cadeia de Markov (MCMC), que também permitiu validar estatisticamente os modelos. A utilização destas técnicas fez com que os modelos descrevessem de forma correta o processamento da vinhaça de cana-de-açúcar em PHA e permitiu analisar o impacto que operar o reator SBR de seleção sob diferentes relações DQO_t/Nitrogênio possui nos parâmetros livres dos modelos. Foi constatado que o consórcio microbiano selecionado sob maior relação DQO_t/Nitrogênio apresentou maior rendimento de PHA referente a ácidos orgânicos (Y_PHA/H.Org) (0.740 ± 0.017). Além disso, o consórcio microbiano selecionado sem suplementação externa de nitrogênio apresentou uma resposta de crescimento em detrimento a acumulação de PHA, reforçado pelo maior crescimento de biomassa e rendimento de biomassa referente a ácidos orgânicos (Y_X/H.Org) (0.248 ± 0.020) observados nas corridas de acumulação.

Microbial polymers are a class of materials that are considered an alternative to petroleum-based polymers because they are biodegradable and produced from renewable raw materials. Polyhydroxyalkanoates (PHA) is a family of microbial polymers that has come to prominence in recent years. PHA are polyesters synthesized intracellularly as a source of energy and carbon by various microorganisms. Currently, large-scale production and commercialization of PHA is hampered by the high production cost, which is associated with the use of well-defined substrates and pure cultures of microorganisms. Thus, PHA have attracted the attention of researchers in order to enable an economically viable production process and, eventually, increase production to minimize the environmental problems caused by the use of petroleum-based plastics. The most promising option for this is the combination of microbial consortia and wastewater. Several studies around the world have already been conducted in this direction, including pilot-scale experiments. However, Brazilian studies investigating the production of PHA by applying microbial consortia and wastewater are scarce. Recently, this scenario was boosted by a study that evaluated the reuse of an abundant wastewater in Brazil, the sugarcane vinasse, for PHA production. The results were promising and more research is necessary to solve the bottlenecks and make the process of PHA production from sugarcane vinasse feasible. In this sense, the present work aims to build mathematical models that describe the production of PHA from sugarcane vinasse. These models can be used to estimate and identify kinetic and stoichiometric parameters characteristic of the process, helping in the design of experiments and predicting the effect of operational variables. The models developed in this research describe the stages of selection of PHA-producing species and PHA accumulation. The selection model describes the process taking place in a sequencing batch reactor (SBR) under feast-famine conditions and uncoupled nitrogen supply and is capable of simulating experimental data under different operating conditions. The accumulation model describes the process in a fed-batch reactor and considers both substrate consumption and PHA production to be processes that occur without inhibition, and the accumulation model also considers the evolution of biomass within the reactor. All the built models were submitted to a local sensitivity analysis concerning parameters and variables being possible to identify the most influential parameters of the processes and decrease the number of parameters to be determined. For this, the parameter optimization method of Monte Carlo with Markov Chain (MCMC) was applied, which also allowed to statistically validate the models. The use of these techniques made the models correctly describe the processing of sugarcane vinasse into PHA and allowed to analyze the impact that operating the selection SBR reactor under different COD_t/Nitrogen ratios has on the free parameters of the models. It was found that the microbial consortium selected under higher COD_t/Nitrogen ratio showed higher PHA yield related to organic acids (Y_PHA/H.Org) (0.740 ± 0.017). Furthermore, the microbial consortium selected without external nitrogen supplementation showed a growth response rather than PHA accumulation, reinforced by the higher biomass growth and biomass yield related to organic acids (Y_X/H.Org) (0.248 ± 0.020) observed in the accumulation runs.