Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: Biosurfactants are microbially produced molecules that show excellent surface-active properties. Bacillus subtilis ATCC 21332 produces the biosurfactant, surfactin, which exhibits antimicrobial activity against bacteria as well as fungi. Although antimicrobial activity has been exhibited by a number of bacterially produced biosurfactants, notably the rhamnolipid from the pathogen Pseudomonas aeruginosa, the GRAS status B. subtilis makes the use of this organism preferable for large scale bioprocesses. The objectives of this study were to: (1) evaluate the effect of different nutrient conditions on growth and surfactin production; (2) evaluate the growth of B. subtilis ATCC 21332 and associated surfactin production on a hydrocarbon substrate; (3) evaluate the antimicrobial activity of surfactin against Mycobacterium aurum, and (4) to establish whether active growth of B. subtilis ATCC 21332 and associated surfactin production can be extended during fed-batch culture. B. subtilis ATCC 21332 was grown on low-nitrate; phosphate-limited and nutrient rich media with glucose as substrate during shake flask culture. Nitrate, phosphate, glucose and surfactin were quantified by HPLC analyses and growth via CDW and optical density measurements. Growth and surfactinproduction were further evaluated during shake flask cultureon a hydrocarbon substratereplacing the glucose in the nutrient rich medium with an equivalent amount of n-hexadecane. The antimicrobial activity was quantified by growth inhibition of M. aurum. Bioreactor batch and fed-batch studies were conducted to evaluate growth and surfactin production under controlled conditions. The fed-batch experiments included four constant dilution rate (D=0.40h-1; D=0.15h-1; D=0.10h-1 and D=0.05h-1) and two constant feed rate (F=0.40L/h and F=0.125L/h) fed-batch strategies. The nutrient rich medium was used for these experiments and also as the feed medium for fed-batch experiments. A CDW of 12.6 g/L was achieved in the nutrient rich medium during shake flask culture and was 2.5- and 1.6-fold higher than that achieved in the phosphate-limited medium and the lownitrate medium respectively. A surfactin concentration of 652 mg/L was achieved in the nutrient rich medium, while a maximum surfactin concentration of 730 mg/L was achieved in the phosphate-limited medium. A surfactin concentration of only 172 mg/L was achieved in the low-nitrate medium. Subsequently, growth and surfactin production were evaluated on n-hexadecane as sole carbon source. After inoculation, the CDW did not increase over a period of 119 h, which indicated that B. subtilis ATCC 21332 was unable to utilize n-hexadecane for growth and surfactin production. The maximum CDW (27 g/L) and maximum surfactin concentration (1737 mg/L) achieved in the bioreactor batch experiments were 2.1- and 2.6-fold higher respectively than that achieved in the nutrient rich medium during shake flask experiments. These results served as a benchmark for further fed-batch experiments. During the fed-batch phase of the D=0.40h-1 experiment, the biomass further increasedby 9 g/h, which was 3.5-, 3.1- and 5.3-fold higher compared to the fed-batch phases of the D=0.15h-1, D=0.10h-1 and D=0.05h-1 experiments respectively. Similarly, the biomass increased by 10.7 g/h during the fed-batch phase of the F=0.40L/h experiment, which was 4.6-fold higher than that of the F=0.125L/h experiment. The average rate of surfactin production was 633 mg/h during the fed-batch phase of the D=0.40h-1 experiment, 29.4-, 5.4- and 34.2-fold higher compared to the fed-batch phases of the D=0.15h-1, D=0.10h-1 and D=0.05h-1 experiments respectively. Analogously, the average rate of surfactin production (544 mg/h) of the F=0.40L/h experiment was 9.4 fold higher than that of the F=0.125L/h experiment. The antimicrobial assay showed that surfactin inhibits M. aurum growth. An inhibition zone diamater of 4mm was measured at a surfactin concentration of 208 mg/L, which linearly increased to 24mm at a surfactin concentration of 1662 mg/L. High feed flow rate strategies achieved higher rates of biomass increase and surfactin production and will thus decrease the production time required for large scale surfactin production.The antimicrobial activity of surfactin against M. aurum indicates that this biosurfactant has the potential to be used against M. tuberculosis, and as such has the potential to be used in the medical industry to reduce the spread of this, and other deadly diseases. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Biosurfaktante is oppervlak-aktiewe molekules wat deur sekere mikro-organismes geproduseer word. Bacillus subtilis ATCC 21332produseer ‘n biosurfaktant genaamd surfactin, wat antimikrobiese eienskappe toon teen bakterieë sowel as fungi.Menige bakterieël geproduseerde biosurfaktante toon antimikrobiese eienskappe, vernaam die rhamnolipied van die patogeen Pseudomonas aeruginosa, maar die algemene veiligheids-status van B. subtilis gee voorkeur aan hierdie organisme vir grootskaalse bioprosesse. Die doelwitte van hierdie studie was: (1) om die effek van verskillende medium samestellings (in terme van voedingstowwe) ten opsigte van bakteriële seldigtheid en surfactin-produksie te evalueer; (2) om die bakteriële seldigtheid van B. subtilis ATCC 21332 en geassosieerde surfactin produksie vanaf ‘n alkaan-substraat te evalueer; (3) om die antimikrobiese aktiwiteit van surfactin teen Mycobacterium aurum te evalueer; (4) om vas te stel of die aktiewe groei van B. subtilis ATCC 21332 en geassosieerde surfactin-produksie gedurende voer-lot kultuur verleng kan word. B. subtilis ATCC 21332 was op lae-nitraat; fosfaat-beperkte en voedingstofryk-media met glukose as substraat in skudflesse gekultiveer. Nitraat, fosfaat, glukose en surfactin was deur hoëdruk vloeistofchromatografie gekwantifiseer en die seldigtheid deur middel van seldroëmassa en optiese digtheid metings. Verder was die groei van B. subtilis, en geassosieerde surfactin produksie, vanaf ‘n alkaan-substraat in skudflesse ge-evalueer deur die glukose in die voedingstofryke medium met ‘n ekwivalente hoeveelheid van n-heksadekaan te vervang. Die antimikrobiese aktiwiteit van surfactin was deur die geїnhibeerde groei van M. aurum gekwantifiseer. Bioreaktor lot en voer-lot studies was uitgevoer om die groei en surfactin produksie onder beheerde toestande te evalueer. Die voer-lot eksperimente het vier konstante verdunningstempos (D=0.40h-1; D=0.15h-1; D=0.10h-1 en D=0.05h-1) en twee konstante voertempos (F=0.40L/h and F=0.125L/h) ingesluit. Die voedingstofryke medium was vir hierdie eksperimente en ook as die voermedium vir dievoer-lot eksperimente gebruik. ‘n Seldigtheid van 12.6 g/L is bereik gedurende skudfleskultuur in die voedingstofryk-media en was 2.5- en 1.6-voud hoër as die seldigthede wat in die fosfaat-beperkte en lae-nitraat media bereik is. ‘n Surfactin konsentrasie van 652 mg/L is bereik in die voedingstofryke medium, terwyl ‘n maksimum surfactin konsentrasie van 730 mg/L in die fosfaat-beperkte medium bereik is. ‘n Surfactin konsentrasie van slegs 172 mg/L is in die lae-nitraat medium bereik.Hierna was bakteriële seldigtheid en surfactin produksie geuvalueer met slegs n-heksadekaan as die enigste koolstof bron. Die bakteriële seldigtheid het geen verandering getoon na inokulasie nie, wat aangedui het dat B. subtilis ATCC 21332 nie die vermoë beskik om n-heksadekaan vir groei en surfactin produksie te gebruik nie. Die maksimum seldigtheid (27 g/L) en maksimum surfactin konsentrasie (1737 mg/L) bereik in die bioreaktor lot eksperimente was 2.1- en 2.6-voud hoër onderskeidelik as dit bereik in die voedingstofryke medium gedurende skudfles eksperimente. Hierdie resultate dien as ‘n basis vir verdere voer-lot eksperimente. Gedurende die voer-lot fase van die D=0.40h-1 het die biomassa verder verhoog teen 9 g/h, wat 3.5-, 3.1- en 5.3-voud hoër was as dit van die D=0.15h-1, D=0.10h-1 en D=0.05h-1 eksperimente onderskeidelik. Die biomassa het soortgelyk tydens die voer-lot fase van die F=0.40L/h eksperiment teen 10.7 g/h verhoog, wat 4.6-voud hoër was as dit van die F=0.125L/h eksperiment. Die gemiddelde tempo van surfactin produksie was 633 mg/h gedurende die voer-lot fase van die D=0.40h-1 eksperiment, 29.4-, 5.4- en 34.2-voud hoër vergeleke met die voer-lot fases van die D=0.15h-1, D=0.10h-1en D=0.05h-1 eksperimente onderskeidelik. Die gemiddelde tempo van surfactin produksie (544 mg/L) was soortgelyk 9.4-voud hoër gedurende die voer-lot fase van die F=0.40L/h eksperimente, vergeleke met die die F=0.125L/h eksperiment. Die antimikrobiese toetse van surfactin teen M. aurum het positief getoets, wat aandui dat surfactin die groei van hierdie organisme inhibeer. ‘n Inhibisie sone deursnee van 4mm was gemeet teen ‘n surfactin konsentrasie van 208 mg/L, wat lineêr verhoog het tot 24 mm teen ‘n surfactin konsentrasie van 1662 mg/L. Hoë voertempo strategieë het hoër biomassa verhogingstempos en surfactin produksie tempos getoon en sal dus die produksietyd aansienlik verkort tydens grootskaalse surfactin produksie. Die antimikrobiese aktiwiteit van surfactin teen M. aurum toon dat hierdie biosurfaktant die vermoë het om gebruik te word teen M. tuberculosis. Daarom het surfactin die potensiaal om gebruik te word in die mediese industrie om die verspreiding van Tuberkulose, en ander dodelike patogene, te voorkom.

Biossurfactantes são moléculas anfifílicas produzidas por micro-organismos que possuem grande potencial na substituição de surfactantes químicos, pois apresentam maior biodegradabilidade e estabilidade. A busca por novos micro-organismos, matérias-primas e estratégias de produção é essencial para a viabilização da sua produção. Assim, a fermentação em estado sólido (FES) apresenta-se como uma tecnologia alternativa de produção, com a vantagem de evitar a formação de espuma, e a utilização de leveduras para o processo é vantajosa, pois muitas não apresentam risco de patogenicidade. O objetivo deste trabalho foi selecionar uma levedura capaz de produzir biossurfactante por FES, determinar as condições do processo, comparar com a fermentação submersa (FS), caracterizar bioquimicamente o biossurfactante e testar sua aplicação para biorremediação. Para tanto, 37 leveduras foram avaliadas quanto à produção de biossurfactante em caldo Kitamoto, por meio de testes das atividades tensoativa e emulsificante. Dessas, 17 apresentaram resultados positivos para tensoatividade, formaram emulsão estável e foram utilizadas para os testes em FES em 2 g bagaço de cana-de-açúcar e 10 mL de meio Kitamoto. Na FES, cinco leveduras apresentaram resultados positivos para tensoatividade e quatro formaram emulsão estável. Dentre essas, a Aureobasidium pullulans LB 83 foi selecionada por apresentar resultado positivo para tensoatividade, índice de emulsificação acima de 50% e estabilidade da emulsão. Foram testadas diferentes fontes de carbono, sendo a sacarose aquela que apresentou melhores resultados (6,0 cm de tensoatividade no teste de espalhamento da gota (Ta) e 8,3x10-2 cm/h de produtividade em tensoatividade (QTa)). A adição dos indutores glicerol (0 a 6 g/L) e óleo de soja (0 a 10 g/L) não apresentou efeito significativo para o processo. Também foi estudada a influência da aeração (0,1 a 1,1 h-1) e da concentração de sacarose (20 a 80 g/L) utilizando planejamento fatorial composto de face centrada realizado em reator de tanque agitado. O uso das variáveis no nível mais alto aumentou a produção de biossurfactante (8,05 cm (Ta) e 8,4x10-2 cm/h (QTa). As condições adequadas da FES foram avaliadas em frascos Erlenmeyer (50 mL) com 2 g de bagaço (suporte inerte) em um planejamento 24, tendo como variáveis tamanho médio das partículas de bagaço (0,6 a 1,8 mm), volume de meio adicionado (8 a 12 mL), concentração celular inicial (1x105 a 1x107 cel/mL) e volume para extração (15 a 25 mL). O tamanho das partículas apresentou efeito positivo e o volume de meio possuiu efeito negativo na concentração de biossurfactante. As demais variáveis não apresentaram efeitos significativos. Assim, as condições definidas foram 1,18 mm tamanho médio de partícula, 1x106 cel/mL concentração celular, 8 mL meio de cultura e 15 mL volume de extração, resultando na obtenção de 2,06 g/L de biossurfactante. Não houve diferença significativa entre o rendimento da condição otimizada na FES e a FS. A utilização de butanona para a extração mostrou-se vantajosa e o biossurfactante foi caracterizado como poliol lipídeo. Sua aplicação para biorremediação foi avaliada e apresentou maiores recuperações de petróleo da areia contaminada (73,7 e 78,4%) que as obtidas por dodecil sulfato sódico (58,0 e 75,0%), nas concentrações de 0,1 e 0,5 % respectivamente. Concluiu-se que a levedura A. pullulans LB 83 foi capaz de produzir biossurfactante por FES e esse processo apresenta destacada potencialidade, podendo servir como conhecimento para futuros estudos visando sua implementação em escalas maiores. / Biosurfactants are amphiphilic molecules produced by microorganisms that have great potential as substitute for chemical surfactants, since they present higher biodegradability and stability. The search for new microorganisms, raw materials and production strategies are essential for their production viability. Thus, solid state fermentation (FES) is presented as an alternative production technology, with the advantage of no foam formation, and the selection of yeasts for the process is favorable, since many of them do not present risk of pathogenicity. The objective of this work was to select a yeast able to produce biosurfactant by FES, to determine process conditions, to compare the results obtained by FES with the process of submerged fermentation (FS), to characterize biochemically the biosurfactant and to test its application for bioremediation. For this, 37 yeasts were evaluated for biosurfactant production in Kitamoto broth, using tests of tensoactive and emulsifying activities. 17 presented positive results for tensoativity and were able to form stable emulsion, and were used in tests of FES using 2 g of sugarcane bagasse and 10 mL of Kitamoto medium. In FES, five yeasts presented positive results for tensoativity and four were able to form a stable emulsion. Among these, Aureobasidium pullulans LB 83 was selected due to its positive results for tensoativity, emulsification index above 50% and emulsion stability. Different carbon sources were tested for biosurfactant production by A. pullulans LB 83 and sucrose presented the best results (6.0 cm of tensoativity in drop spreading test (Ta) and 8.3x10-2 cm/h of tensoactivity productivity (QTa). The addition of the inductors glycerol (0 to 6 g/L) and soybean oil (0 to 10 g/L) had no significant effect on the biosurfactant production process. The influence of aeration (0.1 to 1.1 h-1) and sucrose concentration (20 to 80 g/L) were also studied using factorial composite face centered design in a stirred tank reactor. The use of the variables at the highest level increased biosurfactant production (8.05 cm (Ta) and 8.4 x 10-2 cm/h (QTa). The appropriate conditions for FES process were evaluated in Erlemeyers flasks (50 mL) with 2 g of sugarcane bagasse (inert support) in a factorial design 24. The variable used were bagasse particles size (0.6 to 1.8 mm), medium volume added (8 to 12 mL), initial cell concentration (1x105 to 1x107 cell/mL) and water volume for extraction (15 to 25 mL). Particle size had a positive effect and medium volume had a negative effect on biosurfactant concentration. The other variables did not present significant effects. Thus, the defined conditions were 1.18 mm of particle size, 1x106 cell/mL of initial cell concentration, addition of 8 mL of culture medium and 15 mL for extraction volume (2.06 g/L of biosurfactant was obtained). There was no significant difference between the performance of the optimized condition in FES and FS. The use of butanone for the extraction was advantageous and the biosurfactant was characterized as polyol lipid. Its application for bioremediation was evaluated, exhibiting a higher recovery of contaminated sand oil (73.7 and 78.4%) than those obtained by sodium dodecyl sulphate (58.0 and 75.0%), at concentrations of 0.1 and 0.5% respectively. For these results, it was concluded that the yeast A. pullulans LB 83 was able to produce biosurfactant by FES and this process has outstanding potential, and can be used for future studies aimed at implementation of larger scales.

Os surfatantes, moléculas anfipáticas compostas por uma porção polar e outra apolar, constituem um grupo heterogêneo de compostos de superfície ativa. Sua porção polar pode ser formada por peptídeos, ânions ou cátions, por mono, di ou polissacarídeos, enquanto sua porção apolar pode ser formada por estruturas saturadas, insaturadas ou ácidos graxos hidroxilados, ou ainda peptídeos hidrofóbicos. Essas substâncias podem ser sintéticas, obtidas a partir de síntese química, ou produzidas por micro-organismos, principalmente, bactérias e leveduras, passando a ser denominadas biossurfatantes (BS). O BS representa uma alternativa aos tensoativos sintéticos utilizados em diversos seguimentos da indústria devido a sua baixa toxicidade e alta biodegradabilidade, além de aplicabilidade na descontaminação ambiental. Bactérias isoladas em diversos biomas têm sido muito exploradas para produção de BS, enquanto ecossistemas marinhos ainda são pouco explorados, apesar do grande potencial existente. Os micro-organismos marinhos quando expostos a condições extremas de pressão, salinidade e temperatura produzem compostos estáveis e, portanto, úteis em aplicações industriais. O presente trabalho objetivou investigar novos BS produzidos por bactérias de origem marinha capazes de produzir tal substância a partir de fontes de carbono de baixo custo (glicerol, óleo de soja, vaselina e sacarose). Foram analisados 59 isolados bacterianos marinhos, as bactérias selecionadas foram identificadas e a produção do BS foi estudada em escala laboratorial. Após a extração do BS, suas propriedades físico-química como tensão superficial (TS), tensão interfacial (IT) e concentração micelar crítica (CMC) foram determinadas; além disso, foi realizada a caracterização estrutural preliminar e o seu potencial de aplicação para biorremediação de petróleo e como agente emulsificador. Os resultados identificaram a produção de BS por três bactérias marinhas: Arthrobacter defluvii, Brevibacterium luteolum e Gordonia sp. A partir das análises químicas foi possível identificar dois BS lipopepítidicos (A. Defluvii e B. luteolum) e um BS com grupos glicosídicos (Gordonia sp.). O BS produzido por A. defluvii apresentou tensão superficial TS = 34,5 mN m-1; TI = 15 mN m-1; e CMC = 129 mg L-1 crescendo em óleo de soja, B. luteolum TS = 27 mN m-1; TI = 0,84 mN m-1; e CMC = 40 mg L-1 crescendo em vaselina e Gordonia sp. TS = 33 mN m-1; TI = 1,4 mN m-1; e CMC = 85 mg L-1 crescendo em óleo de soja. Os BS estudados apresentaram capacidade de remoção de petróleo de areia contaminada, assim como atividade emulsificante frente a diferentes substâncias ( óleo de soja, vaselina, decano, querosene, hexadecano e gordura vegetal). Os testes de estabilidade realizados para BS produzido por B. luteolum indicaram que: o BS é estável quando submetido a temperaturas até 60oC por 24 h e até 121oC por 20 min; a maior atividade tensoativa para o BS é encontrada em solução com pH entre 6 e 8; e a força iônica não afeta a atividade tensoativa até concentrações salinas abaixo de 16%. Portanto, os três micro-organismos marinhos selecionados foram capazes de produzir compostos com relevante atividade tensoativa utilizando substratos de baixo custo. / The surfactants, amphipathic molecules containing both polar and nonpolar portions, are a heterogeneous group of surface-active compounds. Its polar portion may be composed by peptides, anions or cations, mono, di, or polysaccharides, while its polar portion may contain saturated, unsaturated or hydroxylated fatty acids or hydrophobic peptides. These molecules may be synthetic, derived from chemical synthesis, or produced by microorganisms, mainly bacteria and yeast, and also known as biosurfactants (BS). The BS represent an alternative to synthetic surfactants used in various segments of industry due to their low toxicity and high biodegradability. The major classes of BS include glycolipids, lipopeptides, lipoproteins, phospholipids, fatty acids and polymeric surfactants. Bacteria isolated from different biomes have been heavily exploited for BS production, while marine ecosystems are still poorly explored, despite its great potential. The marine microorganisms when exposed to extremes of pressure, temperature and salinity, produce stable compounds and, therefore, useful in industrial applications. The aim of this study was to investigate new BS produced by marine bacteria capable of producing such molecules growing in low-cost carbon sources (mineral oil, sucrose, soybean oil and glycerol). The selected bacterial isolates were identified and the biosurfactant production was studied in laboratory scale. After extraction of BS their physicochemical properties as surface tension (ST), interfacial tension (IT) and critical micelle concentration (CMC) were determined; preliminary structural characterization evaluated by FTIR and TLC and their potential application in bioremediation of crude oil and as emulsifier was also investigated. The results identified the BS production by three marine bacteria Arthrobacter defluvii, Brevibacterium luteolum and Gordonia sp. Based on the chemical analysis it was possible to identify two lipopeptides BS (A. defluvii and B. luteolum) and a BS with glycosides groups (Gordonia sp.). The BS produced by A. defluvii growing in soybean oil showed ST = 34,5 mNm-1; IT = 15 mNm-1 and CMC = 129 mgL-1; B. luteolum growing in mineral oil showed a ST = 27 mNm-1, IT = 0,84 mNm-1 and CMC = 40 mgL-1 and Gordonia sp. growing in soybean oil showed ST = 33 mNm-1, IT = 1,4 mNm-1 and CMC = 85 mgL-1. The BS obtained exhibited capacity to remove crude oil from contaminated sand as well as emulsifying activity against different hydrophobic substances (soybean oil, mineral oil, decane, kerosene, animal fat and hexadecane). Stability tests carried out to BS produced by B. luteolum indicated that: the BS is stable when submitted to temperatures down to 60° C for 24 h to 121° C for 20 min; the higher activity to the BS is found in solution with pH between 6 and 8; and the ionic strength does not affect the surfactant activity until salt concentrations under 16%. Therefore, the three selected marine micro-organisms were able to produce compounds with significant surfactant activity using low cost substrates.

Biossurfactantes são moléculas anfifílicas produzidas por micro-organismos que possuem grande potencial na substituição de surfactantes químicos, pois apresentam maior biodegradabilidade e estabilidade. A busca por novos micro-organismos, matérias-primas e estratégias de produção é essencial para a viabilização da sua produção. Assim, a fermentação em estado sólido (FES) apresenta-se como uma tecnologia alternativa de produção, com a vantagem de evitar a formação de espuma, e a utilização de leveduras para o processo é vantajosa, pois muitas não apresentam risco de patogenicidade. O objetivo deste trabalho foi selecionar uma levedura capaz de produzir biossurfactante por FES, determinar as condições do processo, comparar com a fermentação submersa (FS), caracterizar bioquimicamente o biossurfactante e testar sua aplicação para biorremediação. Para tanto, 37 leveduras foram avaliadas quanto à produção de biossurfactante em caldo Kitamoto, por meio de testes das atividades tensoativa e emulsificante. Dessas, 17 apresentaram resultados positivos para tensoatividade, formaram emulsão estável e foram utilizadas para os testes em FES em 2 g bagaço de cana-de-açúcar e 10 mL de meio Kitamoto. Na FES, cinco leveduras apresentaram resultados positivos para tensoatividade e quatro formaram emulsão estável. Dentre essas, a Aureobasidium pullulans LB 83 foi selecionada por apresentar resultado positivo para tensoatividade, índice de emulsificação acima de 50% e estabilidade da emulsão. Foram testadas diferentes fontes de carbono, sendo a sacarose aquela que apresentou melhores resultados (6,0 cm de tensoatividade no teste de espalhamento da gota (Ta) e 8,3x10-2 cm/h de produtividade em tensoatividade (QTa)). A adição dos indutores glicerol (0 a 6 g/L) e óleo de soja (0 a 10 g/L) não apresentou efeito significativo para o processo. Também foi estudada a influência da aeração (0,1 a 1,1 h-1) e da concentração de sacarose (20 a 80 g/L) utilizando planejamento fatorial composto de face centrada realizado em reator de tanque agitado. O uso das variáveis no nível mais alto aumentou a produção de biossurfactante (8,05 cm (Ta) e 8,4x10-2 cm/h (QTa). As condições adequadas da FES foram avaliadas em frascos Erlenmeyer (50 mL) com 2 g de bagaço (suporte inerte) em um planejamento 24, tendo como variáveis tamanho médio das partículas de bagaço (0,6 a 1,8 mm), volume de meio adicionado (8 a 12 mL), concentração celular inicial (1x105 a 1x107 cel/mL) e volume para extração (15 a 25 mL). O tamanho das partículas apresentou efeito positivo e o volume de meio possuiu efeito negativo na concentração de biossurfactante. As demais variáveis não apresentaram efeitos significativos. Assim, as condições definidas foram 1,18 mm tamanho médio de partícula, 1x106 cel/mL concentração celular, 8 mL meio de cultura e 15 mL volume de extração, resultando na obtenção de 2,06 g/L de biossurfactante. Não houve diferença significativa entre o rendimento da condição otimizada na FES e a FS. A utilização de butanona para a extração mostrou-se vantajosa e o biossurfactante foi caracterizado como poliol lipídeo. Sua aplicação para biorremediação foi avaliada e apresentou maiores recuperações de petróleo da areia contaminada (73,7 e 78,4%) que as obtidas por dodecil sulfato sódico (58,0 e 75,0%), nas concentrações de 0,1 e 0,5 % respectivamente. Concluiu-se que a levedura A. pullulans LB 83 foi capaz de produzir biossurfactante por FES e esse processo apresenta destacada potencialidade, podendo servir como conhecimento para futuros estudos visando sua implementação em escalas maiores. / Biosurfactants are amphiphilic molecules produced by microorganisms that have great potential as substitute for chemical surfactants, since they present higher biodegradability and stability. The search for new microorganisms, raw materials and production strategies are essential for their production viability. Thus, solid state fermentation (FES) is presented as an alternative production technology, with the advantage of no foam formation, and the selection of yeasts for the process is favorable, since many of them do not present risk of pathogenicity. The objective of this work was to select a yeast able to produce biosurfactant by FES, to determine process conditions, to compare the results obtained by FES with the process of submerged fermentation (FS), to characterize biochemically the biosurfactant and to test its application for bioremediation. For this, 37 yeasts were evaluated for biosurfactant production in Kitamoto broth, using tests of tensoactive and emulsifying activities. 17 presented positive results for tensoativity and were able to form stable emulsion, and were used in tests of FES using 2 g of sugarcane bagasse and 10 mL of Kitamoto medium. In FES, five yeasts presented positive results for tensoativity and four were able to form a stable emulsion. Among these, Aureobasidium pullulans LB 83 was selected due to its positive results for tensoativity, emulsification index above 50% and emulsion stability. Different carbon sources were tested for biosurfactant production by A. pullulans LB 83 and sucrose presented the best results (6.0 cm of tensoativity in drop spreading test (Ta) and 8.3x10-2 cm/h of tensoactivity productivity (QTa). The addition of the inductors glycerol (0 to 6 g/L) and soybean oil (0 to 10 g/L) had no significant effect on the biosurfactant production process. The influence of aeration (0.1 to 1.1 h-1) and sucrose concentration (20 to 80 g/L) were also studied using factorial composite face centered design in a stirred tank reactor. The use of the variables at the highest level increased biosurfactant production (8.05 cm (Ta) and 8.4 x 10-2 cm/h (QTa). The appropriate conditions for FES process were evaluated in Erlemeyers flasks (50 mL) with 2 g of sugarcane bagasse (inert support) in a factorial design 24. The variable used were bagasse particles size (0.6 to 1.8 mm), medium volume added (8 to 12 mL), initial cell concentration (1x105 to 1x107 cell/mL) and water volume for extraction (15 to 25 mL). Particle size had a positive effect and medium volume had a negative effect on biosurfactant concentration. The other variables did not present significant effects. Thus, the defined conditions were 1.18 mm of particle size, 1x106 cell/mL of initial cell concentration, addition of 8 mL of culture medium and 15 mL for extraction volume (2.06 g/L of biosurfactant was obtained). There was no significant difference between the performance of the optimized condition in FES and FS. The use of butanone for the extraction was advantageous and the biosurfactant was characterized as polyol lipid. Its application for bioremediation was evaluated, exhibiting a higher recovery of contaminated sand oil (73.7 and 78.4%) than those obtained by sodium dodecyl sulphate (58.0 and 75.0%), at concentrations of 0.1 and 0.5% respectively. For these results, it was concluded that the yeast A. pullulans LB 83 was able to produce biosurfactant by FES and this process has outstanding potential, and can be used for future studies aimed at implementation of larger scales.

Os surfatantes, moléculas anfipáticas compostas por uma porção polar e outra apolar, constituem um grupo heterogêneo de compostos de superfície ativa. Sua porção polar pode ser formada por peptídeos, ânions ou cátions, por mono, di ou polissacarídeos, enquanto sua porção apolar pode ser formada por estruturas saturadas, insaturadas ou ácidos graxos hidroxilados, ou ainda peptídeos hidrofóbicos. Essas substâncias podem ser sintéticas, obtidas a partir de síntese química, ou produzidas por micro-organismos, principalmente, bactérias e leveduras, passando a ser denominadas biossurfatantes (BS). O BS representa uma alternativa aos tensoativos sintéticos utilizados em diversos seguimentos da indústria devido a sua baixa toxicidade e alta biodegradabilidade, além de aplicabilidade na descontaminação ambiental. Bactérias isoladas em diversos biomas têm sido muito exploradas para produção de BS, enquanto ecossistemas marinhos ainda são pouco explorados, apesar do grande potencial existente. Os micro-organismos marinhos quando expostos a condições extremas de pressão, salinidade e temperatura produzem compostos estáveis e, portanto, úteis em aplicações industriais. O presente trabalho objetivou investigar novos BS produzidos por bactérias de origem marinha capazes de produzir tal substância a partir de fontes de carbono de baixo custo (glicerol, óleo de soja, vaselina e sacarose). Foram analisados 59 isolados bacterianos marinhos, as bactérias selecionadas foram identificadas e a produção do BS foi estudada em escala laboratorial. Após a extração do BS, suas propriedades físico-química como tensão superficial (TS), tensão interfacial (IT) e concentração micelar crítica (CMC) foram determinadas; além disso, foi realizada a caracterização estrutural preliminar e o seu potencial de aplicação para biorremediação de petróleo e como agente emulsificador. Os resultados identificaram a produção de BS por três bactérias marinhas: Arthrobacter defluvii, Brevibacterium luteolum e Gordonia sp. A partir das análises químicas foi possível identificar dois BS lipopepítidicos (A. Defluvii e B. luteolum) e um BS com grupos glicosídicos (Gordonia sp.). O BS produzido por A. defluvii apresentou tensão superficial TS = 34,5 mN m-1; TI = 15 mN m-1; e CMC = 129 mg L-1 crescendo em óleo de soja, B. luteolum TS = 27 mN m-1; TI = 0,84 mN m-1; e CMC = 40 mg L-1 crescendo em vaselina e Gordonia sp. TS = 33 mN m-1; TI = 1,4 mN m-1; e CMC = 85 mg L-1 crescendo em óleo de soja. Os BS estudados apresentaram capacidade de remoção de petróleo de areia contaminada, assim como atividade emulsificante frente a diferentes substâncias ( óleo de soja, vaselina, decano, querosene, hexadecano e gordura vegetal). Os testes de estabilidade realizados para BS produzido por B. luteolum indicaram que: o BS é estável quando submetido a temperaturas até 60oC por 24 h e até 121oC por 20 min; a maior atividade tensoativa para o BS é encontrada em solução com pH entre 6 e 8; e a força iônica não afeta a atividade tensoativa até concentrações salinas abaixo de 16%. Portanto, os três micro-organismos marinhos selecionados foram capazes de produzir compostos com relevante atividade tensoativa utilizando substratos de baixo custo. / The surfactants, amphipathic molecules containing both polar and nonpolar portions, are a heterogeneous group of surface-active compounds. Its polar portion may be composed by peptides, anions or cations, mono, di, or polysaccharides, while its polar portion may contain saturated, unsaturated or hydroxylated fatty acids or hydrophobic peptides. These molecules may be synthetic, derived from chemical synthesis, or produced by microorganisms, mainly bacteria and yeast, and also known as biosurfactants (BS). The BS represent an alternative to synthetic surfactants used in various segments of industry due to their low toxicity and high biodegradability. The major classes of BS include glycolipids, lipopeptides, lipoproteins, phospholipids, fatty acids and polymeric surfactants. Bacteria isolated from different biomes have been heavily exploited for BS production, while marine ecosystems are still poorly explored, despite its great potential. The marine microorganisms when exposed to extremes of pressure, temperature and salinity, produce stable compounds and, therefore, useful in industrial applications. The aim of this study was to investigate new BS produced by marine bacteria capable of producing such molecules growing in low-cost carbon sources (mineral oil, sucrose, soybean oil and glycerol). The selected bacterial isolates were identified and the biosurfactant production was studied in laboratory scale. After extraction of BS their physicochemical properties as surface tension (ST), interfacial tension (IT) and critical micelle concentration (CMC) were determined; preliminary structural characterization evaluated by FTIR and TLC and their potential application in bioremediation of crude oil and as emulsifier was also investigated. The results identified the BS production by three marine bacteria Arthrobacter defluvii, Brevibacterium luteolum and Gordonia sp. Based on the chemical analysis it was possible to identify two lipopeptides BS (A. defluvii and B. luteolum) and a BS with glycosides groups (Gordonia sp.). The BS produced by A. defluvii growing in soybean oil showed ST = 34,5 mNm-1; IT = 15 mNm-1 and CMC = 129 mgL-1; B. luteolum growing in mineral oil showed a ST = 27 mNm-1, IT = 0,84 mNm-1 and CMC = 40 mgL-1 and Gordonia sp. growing in soybean oil showed ST = 33 mNm-1, IT = 1,4 mNm-1 and CMC = 85 mgL-1. The BS obtained exhibited capacity to remove crude oil from contaminated sand as well as emulsifying activity against different hydrophobic substances (soybean oil, mineral oil, decane, kerosene, animal fat and hexadecane). Stability tests carried out to BS produced by B. luteolum indicated that: the BS is stable when submitted to temperatures down to 60° C for 24 h to 121° C for 20 min; the higher activity to the BS is found in solution with pH between 6 and 8; and the ionic strength does not affect the surfactant activity until salt concentrations under 16%. Therefore, the three selected marine micro-organisms were able to produce compounds with significant surfactant activity using low cost substrates.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:41:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SusanIGM_Capa_ate_Cap2.pdf: 775391 bytes, checksum: bff1b25a943d2e8086f1be8fb59414cc (MD5) Previous issue date: 2007-03-02 / Enzymes have been widely used in biosynthesis/transformation of organic compounds in substitution the classic synthetic methods. This work is the first writing in literature of enzymatic synthesis for attainment the biossurfactants, the use glucose sucrose, ricinoleic acid e castor oil as substratum, and as biocatalyst, used immobilized lipase Thermomyces lanuginose, Rhizomucor miehei and the Candida antarctica lipase B; alkaline protease and neutral protease from Bacillus subtillis and yeast Saccharomyces cerevisiaeI. The analysis of HPLC (high performance liquid chromatography) showed that highest conversions were reached of used the alkaline protease from Bacillus subtillis. Laboratory tests, to evaluate the applicability, indicated that the produced biosurfactantes had good stability in presence of salts (NaCl) and temperature (55 e 25?C), they are effective in the reduction of the superficial tension and contac angle, but they have little foaming capacity, when compared with traditional detergents. These results suggest that the prepared surfactants have potential application as wetting agent and perforation fluid stabilizer / Enzimas t?m sido largamente utilizadas em ma??es de compostos org?nicos em substitui??o aos m?todos sint?ticos cl?ssicos. Esta disserta??o de mestrado ? o primeiro relato escrito em literatura de s?ntese enzim?tica para obten??o de biosurfactantes utilizando como substratos glicose, ?cido ricinol?ico e ?leo de mamona, e como biocatalizador, foram empregadas lipases imobilizadas (Thermomyces lanuginosa, Rhizomucor miehei e Candida antarctica B), proteases (Bacillus subtillis alcalina e Bacillus subtillis neutra) e levedura (Saccharomyces cerevisiae). A an?lise por CLAE (cromatografia l?quida de alta efici?ncia) mostrou que maiores convers?es foram alcan?adas pelo uso da Bacillus subtillis alcalina. Testes de laborat?rio, para avaliar sua aplicabilidade, indicaram que os biosurfactantes produzidos apresentam boa estabilidade em presen?a de NaCl e temperaturas de 55 e 25?C, s?o efetivos na redu??o da tens?o superficial e ?ngulo de contato, mas possuem pouca capacidade espumante, quando comparados aos detergentes tradicionais. Estes resultados sugerem que os surfactantes obtidos t?m potencial aplica??o como agente de molhabilidade e estabilizador de fluidos de perfura??o / 2020-01-01

- Nous avons implementé dans un programme académique une méthode de calcul de la tension interfaciale par dynamique moléculaire (méthode auparavant décrite dans la littérature).<br /><br />- L'implémentation a été testée sur un système d'interface modèle simple: interface liquide-vapeur d'alcanes. Les résultats donnent une estimation très correcte des tensions interfaciales.<br /><br />- Nous avons alors étudié une interface entre deux liquides immiscibles, et comparé nos résultats avec les prédictions issues de la théorie des ondes capillaires. Nous proposons une explication du désaccord constaté.<br /><br />- Ensuite, nous avons etudié la dynamique moléculaire de la surfactine (biosurfactant) à l'interface eau-hexane, en fonction de la concentration interfaciale.<br /><br />- Enfin, nous avons etudié la topologie et le profil de pression latérale de membranes de tétraetherlipides, en fonction de la stéréochimie des cyclopentanes présents dans le domaine hydrophobique de la membrane.

Los biotensioactivos son compuestos producidos por microorganismos que poseen actividad superficial, baja toxicidad, carácter biodegradable y efectividad a temperaturas y valores de pH extremos. Los ramnolípidos, son un tipo de biotensioactivos con interesantes actividades biológicas, que parecen estar relacionadas con su interacción con las membranas. En esta tesis doctoral se estudia la interacción de la fracción dirramnolipídica purificada de cultivos de Pseudomonas aeruginosa con membranas modelo y membranas biológicas, la interacción con albúmina de suero bovino, utilizada como proteína modelo, y por último, se evalúa el papel de este biotensioactivo en la estabilización de liposomas sensibles a pH y su aplicación en la introducción de compuestos en células animales. Para el desarrollo de este trabajo de investigación se han utilizado técnicas como calorimetría, FT-IR, difracción de rayos X, dispersión de luz dinámica y microscopía electrónica. / Rhamnolipids are bacterial biosurfactants produced by Pseudomonas spp. These compounds have been shown to present several interesting biological activities. It has been suggested that the interaction with the membrane could be the ultimate responsible for these actions. This thesis presents a detailed molecular level study of the dirhamnolipid interactions with artificial phospholipids membranes and biological membranas, and the dirhamnolipid interactions with bovine serum albumin, used as a general globular protein model. Furthemore, this work includes the characterization of phosphatidylethanolamine/diRL pH-sensitive liposomes described as efficient systems for cytoplasmic delivery of foreign compounds into living cells. It has been employed a number of physical techniques such as calorimetry, FTIR, small angle X-ray (SAX) diffraction and dynamic light scattering.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:21Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-02-29Bitstream added on 2014-06-13T19:14:43Z : No. of bitstreams: 1 lima_bm_me_sjrp_parcial.pdf: 80021 bytes, checksum: 99997b29ac6df560bf0af42e9f8ea37e (MD5) Bitstreams deleted on 2015-05-28T14:25:15Z: lima_bm_me_sjrp_parcial.pdf,. Added 1 bitstream(s) on 2015-05-28T14:26:17Z : No. of bitstreams: 1 000687968.pdf: 676213 bytes, checksum: 520749eb50ca5a41470631b041bfed18 (MD5) / Surfactantes são compostos anfipáticos, que reduzem a tensão interfacial e superficial, além disso, possuem capacidade de detergência, emulsificação, espumante, molhante, de solubilização e dispersão de substâncias. Os biossurfactantes, surfactantes biológicos derivados do metabolismo secundário de microrganismos, são amplamente utilizados na biorremediação e nas indústrias petrolíferas, de alimentos e de produtos de limpeza. Esses compostos podem ser produzidos por fermentação semi-sólida, a qual pode aproveitar resíduos agroindustriais como substrato para o crescimento microbiano. Os objetivos desse trabalho foram produzir biossurfactante utilizando os fungos Aspergillus ochraceus e Penicillium expansum por fermentação semi-sólida usando bagaço de cana-de-açúcar e farelo de trigo como substratos; avaliar a influência destes substratos; avaliar a influência da concentração de sacarose, glicose, óleo diesel e óleo residual de fritura no crescimento microbiano e o potencial de biorremediação dos biossurfactantes produzidos, assim como dos fungos utilizados. Os microrganismos foram propagados em tubos de ensaio inclinados incubados a 25oC em meio PDA. Posteriormente os esporos foram suspensos em solução nutriente e incubados em frascos de Erlenmeyer contendo cinco gramas do substrato a ser utilizado, bagaço de cana-de-açúcar ou farelo de trigo, 30 mL da solução nutriente contendo os esporos (1,7 x 107 esporos/mL) e uma fonte de carbono adicional testada: sacarose, glicose, óleo diesel e óleo residual de fritura. Os experimentos foram realizados a 25oC e tempo de fermentação de 72, 120 e 168h. A presença do biossurfactante no caldo de fermentação foi determinada pela medida da tensão superficial, do índice de emulsificação, da concentração micelar... / Surfactants are amphiphilic compounds that reduce the interfacial and surface tension; also they have capacity of detergency, emulsifying, wettability, of solubilization and dispersation of substances. The biosurfactants, biologic surfactants derivated from secundary metabolism of microorganism, are widely used in the bioremediation and in the petroleum, food and cleaning industries. These compounds can be produced under solid-state fermentation, which can use agro-industrial wastes as substrates for the microbial growth. The purposes of this study were produce biosurfactants using the fungi Aspergillus ochraceus and Penicillium expansum by solid-state fermentation using sugarcane bagasse and wheat bran as substrates; evaluate the influence of these substrates; evaluate the influence of sucrose, glucose, diesel oil and residual frying oil in the microbial growth and the biosurfactants bioremediation potencial, and microorganisms bioremediation potencial. First, for the inoculum preparation, the microorganisms were propagated in the inclined Erlenmeyers flasks containing PDA and kept at 25°C. After that, the spores were suspended in nutrient solution and incubated in Erlenmeyers flasks containing five grams of the substrate, sugarcane bagasse or wheat bran, 30 mL of nutrient solution containing the spores (1,7 x 107 spores/mL) and an additional carbon source tested: sucrose, glucose, diesel oil and frying oil. The experiments were realized in 25°C and 72, 120 and 168 hours. The presence of the biosurfactant in the fermentation broth was determinated by the surface tension, the emulsification index and the critical micelle concentration. The microorganisms Aspergillus ochraceus e Penicillium expansum showed a high potentiality for biosurfactant production using sugarcane bagasse... (Complete abstract click electronic access below)

Orientador: Crispin Humbero Garcia Cruz / Banca: Benício Alves de Abreu Filho / Banca: Eleni Gomes / Resumo: Surfactantes são moléculas que por apresentarem porções hidrofílicas e hidrofóbicas são capazes de reduzir a tensão superficial de um meio fluido. Esta característica é importante para aplicações industriais fazendo destes tenso-ativos compostos de alto interesse. Compostos de origem microbiana que apresentam características surfactantes são denominados biossurfactantes e apresentam vantagens de serem produzidos a partir de substratos renováveis, serem biodegradáveis, apresentarem baixa toxicidade e especificidade química. O objetivo desse trabalho foi verificar a produção de biossurfactante pela bactéria Bacillus pumilus utilizando glicose, sacarose, vinhaça, óleo residual de fritura e melaço como substrato e avaliar o potencial para aplicação na biorremediação envolvendo óleo residual de fritura. O microrganismo foi mantido em meio ágar nutriente, para a produção de biossurfactante foi utilizado um meio mínimo basal composto por sais e óleo diesel acrescido de concentrações de 1 a 5% de glicose, sacarose, vinhaça, óleo residual de fritura e melaço, o pH foi ajustado a 7,0. A fermentação ocorreu em agitador orbital rotatório a 200 rpm em 30 ºC, e foi verificada a produção de biossurfactante após 24, 48, 72 e 96h de fermentação. Foi verificada a variação do pH após cada período de fermentação. O caldo fermentado foi centrifugado a 7077 x g a 4 ºC por 15 minutos. O crescimento celular foi determinado pela massa celular seca. A presença de biossurfactante foi verificada no caldo livre de células através da medição da tensão superficial, índice de emulsificação e concentração micelar crítica (CMC). O biossurfactante foi precipitado com etanol absoluto. A partir do melhor parâmetro de produção foi verificada a atividade emulsificante, atividade antimicrobiana e potencial para remoção do óleo residual de fritura... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Surfactants are molecules that make portions of hydrophilic and hydrophobic are able to reduce the surface tension of a fluid medium. This feature is very important for industrial applications by making these surface-active compounds of high interest. Compounds of microbial origin that has characteristics surfactants are called biosurfactants and have advantages to be produced from renewable substrates, are biodegradable, they exhibit low toxicity and chemical specificity. The aim of the present study was to evaluate the biosurfactant production by Bacillus pumilus using glucose, sucrose, vinassa, waste frying oil and molasses as substrate and evaluate the potential for application in bioremediation involving residual oil frying. The bacterium organism was maintained on nutrient agar for biosurfactant production, it was used a minimal medium composed of salts and diesel oil increased by concentrations of 1 to 5% glucose, sucrose, vinassa, waste frying oil and molasses, pH was adjusted to 7,0. Fermentation occurred in an orbital shaker rotating at 200 rpm at 30 º C, and was evaluated the production of biosurfactant after 24, 48, 72 and 96 hours of fermentation. The change in pH was observed after each period of fermentation. The fermented broth was centrifuged at 7077 x g at 4 ° C for 15 minutes. The cell growth was determined by dry mass. The presence of biosurfactant was found in the cell-free broth by measuring the surface tension, emulsification index and critical micelle concentration (CMC). The biosurfactant was precipitated with absolute ethanol. From the best measure of production was checked emulsifying activity, antimicrobial activity and potential for removal of residual oil from frying the water and sand. Sucrose was the best substrate, it showed the highest biosurfactant production (26.83 g / L) and greater reduction of surface tension (32 mN / m)... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre