Os fungos filamentosos são utilizados em larga escala na produção de produtos biotecnológicos na indústria devido a sua versatilidade e um dos exemplos são as peptidases que representam uma das principais classes de enzimas hidrolíticas. As peptidases são hidrolases que catalisam a quebra das ligações peptídicas das proteínas e que nos microrganismos são responsáveis por funções fisiológicas e patológicas, além de ter muitas aplicações em diversos campos industriais. Neste estudo foram analisados diferentes bioprocessos fermentativos para produção de peptidases pelo fungo Aspergillus terreus. Este microrganismo foi capaz de produzir peptidases em ambos os bioprocessos, sólido ou submerso, obtendo melhor performance e o pico de produção no bioprocesso fermentativo sólido de valor 677U/mL, nas condições 5g de farelo de trigo, 72 horas, 30°C e 75% de umidade. Utilizando o bioprocesso fermentativo submerso também obtivemos resultados satisfatórios com pico de atividade de 360U/mL, nas condições de meio padrão suplementado com Caseína 0,5%, 72 horas e 35°C. A caracterização bioquímica parcial dos extratos dos dois bioprocessos mostrou semelhanças entre algumas características das enzimas produzidas como a faixa extensa de pH ótimo abrangendo regiões ácidas, neutra e alcalinas, temperatura ótima pontual de 55°C e perfil de inibição pelo PMSF e EDTA. Contudo, os perfis de estabilidade (pH e temperatura) e comportamento frente a adição de íons apresentaram respostas diferentes entre si, o que sugere a produção de enzimas diferentes produzidas pelo mesmo fungo em meios distintos. A microencapsulação por Spray Drying como processo de estabilização foi satisfatória obtendo rendimentos de 37,5-58,2% e com níveis acima de 50% de atividade enzimática. Em contrapartida, a imobilização enzimática demonstrou ser eficaz na etapa de ligação ao suporte, mas não foi capaz de estabilizar a enzima presente no extrato, o que ficou caracterizado pela perda de atividade proteolítica. / Filamentous fungi are extensively used in the production of biotechnological products in industry because of their versatility and one of the examples are peptidases which constitute a major class of hydrolytic enzymes. The peptidases are hydrolases which catalyze the cleavage of peptide bonds of proteins and microorganisms that are responsible for the physiological and pathological roles, in addition to having many applications in various industrial fields. This study evaluated various bioprocesses for fermentative production of peptidases by the fungus Aspergillus terreus. This microorganism was able to produce peptidase in both bioprocess, solid or submerged, achieving better performance in the solid bioprocess with peak of production of 677U/mL under the conditions 5g wheat bran, 72 hours, 30°C and 75% humidity . Using submerged fermentation bioprocess we also obtained satisfactory results with peak of activity of 360U/mL with conditions of standard medium supplemented with 0.5% casein, 72 hours and 35°C. Biochemical characterization of the two partial purified extracts showed similarities between some characteristics of the enzymes produced, as large optimum pH range spanning regions acidic, neutral and alkaline point temperature optimum of 55 ° C and the inhibition profile of PMSF and EDTA. However, the stability profiles (pH and temperature) and behavior in addition ions showed different responses to each extract, which suggests the production of different enzymes in different ways. Microencapsulation by Spray Drying and stabilization process was obtaining satisfactory yields of 37.5 to 58.2%, with levels above 50% of enzyme activity. In contrast, the enzyme immobilization step was effective in bonding the support, but was not able to stabilize the enzyme present in the extract, which was characterized by the loss of proteolytic activity

Comparadas com células de mamífero, as células de inseto são mais fáceis de cultivar, não acumulam quantidade significativa de sub-produtos tóxicos e apresentam maiores rendimentos na expressão de proteínas heterólogas, porém apresentam uma menor capacidade de realizar modificações pós-traducionais. Células de inseto podem ser empregadas na produção in vitro de baculovírus, usados como pesticidas biológicos. As células Sf-9 estão entre as células de inseto com uso mais difundido. Entender o metabolismo destas células permitirá melhorias nos processos que as empregam, entretanto, ainda há relativamente pouca informação sobre o assunto. Considerando mais especificamente o uso dessas células para produção de baculovírus, também é necessário mais entendimento sobre o processo infectivo e parâmetros que o afetam. Este trabalho teve como objetivo estudar a influência da suplementação do meio de cultivo com diferentes aminoácidos no desenvolvimento das células Sf-9 e determinar a concentração de oxigênio dissolvido ideal para o cultivo destas células, visando elaborar uma metodologia de cultivo em biorreator otimizada e, paralelamente, estudar o processo de infecção de cultivos dessas células com o baculovírus Spodoptera frugiperda (SfMNPV) em diferentes escalas. Para estudar a influência que a adição de aminoácidos ao meio tem sobre o crescimento celular, células Sf-9 foram cultivadas em frascos schotts de 100 e 500 mL, com 20 mL do meio SF900III SFM (serum free medium) suplementados com cisteína, prolina, serina ou asparagina. Os resultados foram comparados com cultivos feitos sem suplementação (controles). A condição que apresentou o melhor resultado em frasco schott foi replicada em biorreator de 1 L de volume útil. Para estudar a influência do oxigênio dissolvido (O.D.) foram testados diferentes setpoints de O.D. em cultivos em biorreator. Em tais ensaios foram testadas as concentrações de O.D de 10%, 30% e 50% da saturação com o ar. Para o estudo do processo de infecção, foram realizadas infecções em frascos schotts de 500 mL, com 20 mL de cultivo, e em biorreator de 1 L. Também foram realizadas infecções em garrafas T-25 como forma de controle de virulência do inóculo viral e do vírus produzido. As principais variáveis analisadas foram µmáx, Xvmáx YX/Glc. Nos ensaios de influencia de O.D., analisou-se também qO2 e qCO2 e, nos ensaios de infecção, a porcentagem de células contendo poliedros. A suplementação com prolina foi prejudicial ao cultivo. A adição de asparagina não teve qualquer influência no desenvolvimento celular. Os resultados das adições de cisteína e serina não foram muito conclusivos, em alguns ensaios houve aumento de Xvmáx, já em outros não foi notado efeito significativo. Nos ensaios em biorreator, todos os valores de O.D. testados apresentaram resultados semelhantes, já a adição de cisteína ao meio em biorreator foi bastante maléfica ao crescimento celular. Os ensaios de infecção mostraram que células Sf-9 são bastante susceptíveis à infecção pelo baculovírus Spodoptera frugiperda e boas produtoras de poliedros virais, e que a vazão gasosa tem efeito negativo na concentração viral na fase líquida dos cultivos em biorreator (título viral). / Compared to mammalian cells, insect cells are easier to culture, do not accumulate significant amounts of toxic byproducts and are capable of higher heterologous protein yields, but have a lower ability to perform post-translational modifications. Insect cells may be employed in the in vitro production of baculoviruses, used as biological pesticides. Sf-9 cells are among the most used insect cell lines. Understanding the metabolism of these cells would allow improvements in the processes that employ them, however, Howeverreports on the metabolism and physiology of Sf-9 cells and insect cells in general are scarce. When considering the use of these cells for baculovirus production, it is also necessary more understanding about the infective process and parameters that can affect it. This work aimed to study the influence that the supplementation of the culture medium with different amino acids have on the development of Sf-9 cells and to determine the ideal dissolved oxygen concentration for the culture of these cells, aiming to elaborate an optimized bioreactor culture methodology and, in parallel, to study the infection process of these cells with the Spodoptera frugiperda baculovirus (SfMNPV) at different scales. To study the influence that the addition of amino acids to the medium has on cell growth, Sf-9 cells were cultured in 100 and 500mL schott flasks with 20mL SF900III SFM (serum free medium) supplemented with cysteine, proline, serine or asparagine. The results were compared with cultures without supplementation (controls). The condition that presented the best result in schott flasks was replicated in a 1L bioreactor. To study the influence of dissolved oxygen (O.D.), experiments with different values of O.D. were conducted at a 1L bioreactor. The O.D. tested were 10%, 30% and 50% of air saturation. To study the infection process, infections were carried out in 500 mL schotted flasks, with 20 mL of culture, and in a 1L bioreactor. Infections were also carried out in 25 cm² T-flasks as a form of virulence control of the viral inoculum and virus produced. The main variables analyzed were µmax, Xvmax YX/Glc. In the O.D. tests, qO2 and qCO2 were also analyzed and, in the infection assays, the percentage of cells containing polyhedra. Proline supplementation was detrimental to the culture. The addition of asparagine had no influence on cellular growth. The results of cysteine and serine additions were not very conclusive, in some studies there was an increase of Xvmax, while in others no significant effect was observed. In the bioreactor trials, all O.D. tested showed similar results and the addition of cysteine to the medium was quite harmful to cell growth. Infection assays showed that Sf-9 cells are quite susceptible to infection by the Spodoptera frugiperda baculovirus and good producers of viral polyhedra, and that the gas flow has a negative effect on the viral concentration in the liquid phase of the bioreactor cultures (viral titer).

Submitted by Marilene Donadel (marilene.donadel@unioeste.br) on 2019-03-13T00:48:12Z No. of bitstreams: 1 Camila_Hinterholz_2015.pdf: 2996844 bytes, checksum: f54562c9458e8a2460e3978c1be500c2 (MD5) / Made available in DSpace on 2019-03-13T00:48:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Camila_Hinterholz_2015.pdf: 2996844 bytes, checksum: f54562c9458e8a2460e3978c1be500c2 (MD5) Previous issue date: 2015-02-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Biopolymers, especially Poly(3-hydroxybutyrate) (PHB), have been receiving big attention in order to minimize environmental damage caused by plastics from petrochemical industries. In this context, the aim of this paper was to formulate a mathematical model to describe the PHB production by Cupriavidus necator, from a detailed theoretical study. To this end, 6 models were evaluated, being 5 for cell growth and 1 for product formation, all from the literature. The ordinary differential equations system was solved numerically by Rosenbrock method. To the parameters estimation, an algorithm based on the Genetic Algorithms was developed and implemented in the software Maple®. To validate the models, experimental data at 30, 32,5, 35 and 37,5 °C were obtained from the literature. From the data analysis, it was observed that the best temperature, for both cell growth and product formation was 32,5 °C, and that the PHB production in partially associated with cell growth. To the parameters estimation, the ordinary differential equations system, obtained from the phenomenological modelling of non-structured and non-segregated models, was evaluated together with the models from the literature. The results for the objective function and correlation coefficient indicated that all the studied models adjusted well to the experimental data at all temperatures. Thus, some statistical tests were applied in order to better evaluate the models fitting, and the results indicated the Andrews’s (1968) model as the one that best represents the data from 32,5 °C, and Heinzle e Lafferty’s (1980) model for 35 °C. For the data at 30 and 37,5 °C there was no statistically valid models found. In conclusion, the statistical methodology applied for the models discrimination and fitting evaluation made it possible to say which model best represents data at each temperature. / Os biopolímeros, em especial o Poli(3-hidroxibutirato) (PHB), têm recebido grande atenção na tentativa de minimizar danos ambientais causados pelo acúmulo de plásticos de origem petroquímica. Neste âmbito, o objetivo deste trabalho foi formular um modelo matemático para o processo de produção do PHB por Cupriavidus necator, a partir de um estudo teórico detalhado. Para tanto, foram avalliados 5 modelos de crescimento celular e 1 modelo para a formação do produto, todos obtidos da literatura. O sistema de equações diferenciais ordinárias foi resolvido numericamente pelo método de Rosenbrock. Para a estimação dos parâmetros dos modelos foi desenvolvido um algoritmo baseado nos Algoritmos Genéticos, o qual foi implementado no software Maple®. Para a validação dos modelos, dados experimentais de ensaios a 30, 32,5, 35 e 37,5 °C foram obtidos da literatura. A partir da análise dos dados foi verificado que a melhor temperatura, tanto para o crescimento da biomassa quanto para a formação do produto, foi de 32,5 °C, e que a produção de PHB está parcialmente associada ao crescimento celular. Para a estimação dos parâmetros, o sistema de equações diferenciais ordinárias obtidas a partir da modelagem fenomenológica de modelos não estruturados e não seguregados foi avaliado juntamente com os modelos da literatura. Os resultados obtidos para a função objetivo e coeficiente de correlação indicaram que todos os modelos estudados se ajustaram bem aos dados experimentais em todas as temperaturas. Assim, para uma melhor avaliação dos ajustes foram aplicados alguns testes estatísticos, cujos resultados indicaram o modelo de Andrews (1968) como sendo o que melhor representa os dados à temperatura de 32,5 °C, e o modelo de Heinzle e Lafferty (1980) para os dados à 35 °C. Para as temperaturas de 30 e 37,5 °C não foi encontrado um modelo estatisticamente válido. Logo, a metodologia estatística aplicada para a discriminação de modelos e avaliação da qualidade dos ajustes tornou possível a identificação do modelo que melhor representa os dados em cada temperatura.

O presente projeto analisou a expressão gênica de Amblyomin -X, uma proteína com potencial terapêutico expressa em Escherichia coli BL21(DE3), por intermédio de um vetor de expressão plasmideal induzido por IPTG ( Isopropyl α-D-1-thiogalactopyranoside). A quantificação da expressão gênica foi realizada utilizando a técnica de RT-qPCR absoluta. A molécula Amblyomin-X corresponde a um inibidor de serino protease do tipo Kunitz, que apresenta atividade antitumoral e anticoagulante. Devido a sua importância terapêutica, fez-se necessário implementar um protocolo de escalonamento de produção, utilizando biorreatores. A informação sobre expressão gênica pode ajudar a interpretar o funcionamento do microrganismo durante os cultivos em frascos agitados e biorreatores, auxiliando na obtenção de protocolos de cultivo. A partir do momento da indução do gene Amblyomin-X, a bactéria Escherichia coli recombinante direciona grande parte de seu metabolismo para a expressão e produção dessa proteína, que é expressa em forma de corpos de inclusão insolúveis. As proteínas em forma de corpos de inclusão insolúveis permitem uma fácil extração do produto, porém, dificulta na quantificação por técnicas cromatográficas, por esse motivo, buscou-se também uma correlação entre a expressão gênica e a síntese protéica de Amblyomin-X, com o objetivo de validar a quantificação por RT-qPCR como uma forma indireta de quantificação desse tipo de produto protéico. Poucos estudos abordam a correlação existente entre a expressão gênica e a síntese protéica de um gene e sua proteína, e essa comparação poderia, também, revelar aspectos importantes entre a transcrição e a tradução de proteínas heterólogas em microrganismo. Foram realizados experimentos em frascos agitados em duas diferentes temperaturas indução (37°C e 30°C), com a concentração do indutor IPTG de 1 mM e concentração da biomassa (X) de 0,2 g/L. Para os experimentos em biorreatores utilizou-se o ponto central do planejamento experimental com concentração de IPTG 1mM e mais duas condições com concentração de IPTG 0,1 mM e 2mM. Foi encontrada uma grande similaridade entre os gráficos das análises cinéticas referentes a expressão gênica e a velocidade específica de formação do produto (qP). Não foi possível Identificar uma semelhança entre o perfil referente a análise cinética da expressão gênica comparada com a síntese protéica. Esses resultados sugerem que a expressão gênica apresenta uma cinética semelhante a velocidade específica de formação do produto e não necessariamente a concentração de proteína. Não foram encontradas correlações significativas nas análises de cada momento após a indução, exceto pelo ponto t4 do biorreator 14, quando foram correlacionadas a expressão gênica e a velocidade de formação do produto (r=0,998 e valor P=0,03). / The present work analysed the gene expression of Amblyomin-X, a potential therapeutic protein expressed in a recombinant Escherichia coli with a plasmid vector inducible by IPTG ( Isopropyl β-D-1- thiogalactopyranoside). The gene expression was quantified by absolute RT-qPCR method. Amblyomin-X is a Kunitz-type serine protease inhibitor which demonstrates antitumor and anticoagulant activity. Due to Amblyomin therapeutic importance, it was necessary to implement a production protocol using bioreactors. The information on gene expression can helps to understand the microorganism behavior during the cultures in shaken flasks and bioreactors. From the moment of the induction of the gene Amblyomin-X, the recombinant Escherichia coli directs its metabolism for expression and production of this protein. The Amblyomin-X protein is expressed as insoluble inclusion bodies. Insoluble inclusion bodies proteins can be easyly extracted from the cell, however it difficults its quantification by chromatographic techniques. Because of that, besides analysis of the gene expression, by RT-qPCR method, we tried to correlate the gene expression with their protein levels concentration, whose objective was implement the RT-qPCR as an indirect method to quantify these type of protein product. Few studies correlate the gene expression in their protein, and this comparison can contribute to reveal important aspects between transcription and translation of heterologous proteins in Escherichia coli, for the achievement of scale up process in biorreactors. Therefore, the quantification by RT-qPCR, represents a most secure way to understand the expression of heterologous proteins in recombinant systems. Experiments were performed in shaken flasks at two different induction temperatures (37 °C and 30 °C), 0,2 g/L of biomass (X) at the induction moment with IPTG 1mM. Biorreactors are performed with three different IPTG concentrations (0,1 mM, 1 mM and 2 mM). A great similarity was found between the graphs of the kinetic analyzes concerning gene expression and the specific rate of product formation (qP). It was not possible to identify a similarity between the profile concerning kinetic analysis of gene expression compared to protein synthesis. These results suggest that gene expression exhibits similar kinetics to the specific rate of product formation and not necessarily to the protein concentration. were found no significant correlations in the analyzes of each moment after induction, except for point t4 of the bioreactor 14, when the gene expression and the rate of the product formation were positively correlated (r = 0.998 and P value = 0.03).

O etanol é um dos biocombustíveis oriundos de fontes renováveis mais promissor e ambientalmente amigável. Visando-se ao atendimento de uma demanda crescente por este álcool, o aproveitamento integral dos materiais lignocelulósicos é uma alternativa interessante e, desta forma, trabalhos de pesquisa têm sido desenvolvidos visando-se à viabilização de biorrefinarias de produção integrada de etanol 1G e 2G. O presente trabalho teve como objetivo principal desenvolver e analisar economicamente modelos de biorrefinaria integrada 1G2G que empregam pré-tratamento ácido diluído, avaliando-se o impacto econômico do destino da hemicelulose para produção de etanol. Para isso, foram definidos cenários que incluíssem todas as etapas do processo de produção de etanol 1G e 2G, sendo avaliados dois teores de sólidos no reator de pré-tratamento (5% e 10%) e, para cada caso, três relações tempo e conversão da hidrólise enzimática, sendo estas de 45%, 51% e 55% para tempos de reação de 24h, 48h e 72h, respectivamente. Para cada condição, considerou-se a fermentação de pentose (C5) ou seu envio para tratamento de efluentes, constituindo-se, assim, 12 cenários. Foram realizadas as simulações destes cenários auxiliadas pelo pacote computacional Aspen Plus®, obtendo-se os dados de balanço de massa e energia, permitindo assim a realização da análise de viabilidade econômica empregando a plataforma Biorrefinaria Virtual de Cana - BVC. Foi possível observar que a produção de etanol 2G empregando pré-tratamento ácido diluído foi responsável por um aumento na produção de etanol de até 35%. Avaliando-se os cenários, observou-se que quando o reator de pré-tratamento foi operado com maior teor de sólidos, menor consumo de energia térmica foi necessário, requerendo menor quantidade de bagaço na caldeira e aumentando o rendimento final de etanol. Com relação ao custo de investimento, este correspondeu a R$799,2 milhões para a biorrefinaria 1G, enquanto que os cenários integrados 1G2G apresentaram valores cerca de 40% superiores. Dentre as áreas mais expressivas no custo de investimento, estão a de pré-tratamento e geração e distribuição de vapor. No que concerne ao custo de produção de etanol, os cenários que apresentaram menor valor para etanol 2G corresponderam ao uso de 10% de sólidos no reator de pré-tratamento com fermentação de C5. As áreas mais expressivas para esse custo foram os custos com insumos e capital. Todavia, os cenários com 5% de sólidos no reator de pré-tratamento e sem fermentação de C5 resultaram em menor custo de produção global de etanol (1G2G), sendo o custo com cana, insumos e capital os mais expressivos. Com base na taxa interna de retorno, esta se apresentou abaixo da taxa mínima de atratividade para todos os cenários, ocasionando um valor presente líquido negativo, inferindo-se que, nas condições avaliadas, a metodologia empregada nos cenários está inviável do ponto de vista de um investidor. No entanto, a análise econômica auxiliou a identificação dos gargalos tecnológicos do processo de produção integrada de etanol 1G2G quando estes empregam pré-tratamento ácido diluído, favorecendo a definição de metas operacionais a serem solucionadas em trabalhos de pesquisa. / Ethanol is one of the most promising and environmentally friendly biofuels obtained from renewable energy sources. Aiming at meeting a growing demand for this fuel, the integral use of lignocellulosic materials is an interesting alternative and, in this way, research Works have been performed to make viable biorefineries for integrated production of 1G and 2G ethanol. The present work had as main objective to develop and to analyze economically models of 1G2G integrated biorefineries using dilute acid pretreatment, evaluating the economic impact of using hemicellulose for ethanol production. Alternative scenarios were defined including all steps of the 1G and 2G ethanol production process. Two different solids contents were evaluated in the pre-treatment reactor (5% and 10%) and, for each case, three values of time and conversion for the enzymatic hydrolysis step were considered, namely 45%, 51% and 55% for reaction times of 24h, 48h and 72h, respectively. For each condition, the fermentation of pentose (C5) or its sending for effluents treatment was supposed, constituting, thus, 12 scenarios. Simulations of these scenarios were carried out using the software Aspen Plus®, generating mass and energy balance data, thus allowing carrying out economic viability analysis using the Virtual Sugarcane Biorefinery (VSB) platform. Production of 2G ethanol using dilute acid pretreatment was responsible for an increase in ethanol production of up to 35%. When the pretreatment reactor was operated with higher solids content, lower thermal energy consumption was necessary, requiring less bagasse in the boiler and thus increasing the final ethanol yield. Regarding to investment cost, it was of R$ 799.2 million for 1G biorefinery, compared to a value 40% higher observed for integrated 1G2G scenarios. Among the most significant areas of investment cost are the pretreatment and the generation and distribution of steam. With relation to the cost of etanol production, scenarios that presented the lowest value for 2G ethanol corresponded to the use of 10% solids in the pre-treatment reactor associated to C5 fermentation. The most significant areas for this cost were the input and capital costs. However, the scenarios with 5% solids in the pre-treatment reactor without C5 fermentation resulted in a lower global ethanol production cost (1G2G), with sugarcane, chemical inputs and capital cost representing the most significant fraction. Based on the internal rate of return, this was lower than the minimum attractiveness rate of return for all scenarios, resulting in a negative net present value, allowing inferring that, under the evaluated conditions, the methodology used in the scenarios would be unviable from an investor viewpoint. However, the economic analysis helped to identify technological bottlenecks of the integrated 1G2G etanol production process using dilute acid pretreatment, favoring the definition of operational goals to be solved in research works.

Orientador: Samuel Conceição de Oliveira / Resumo: A determinação da estratégia de controle adequada para bioprocessos batelada e batelada alimentada é uma questão prática importante devido ao alto valor agregado de alguns bioprodutos. Desde que é altamente desejável otimizar a produção de bioprodutos, vários métodos têm sido propostos para esse objetivo. Uma vez dispondo de um modelo matemático adequado para o bioprocesso, o problema de otimização pode ser formulado no âmbito do princípio do máximo de Pontryagin e da teoria de controle ótimo para determinar a melhor trajetória de controle para certas variáveis manipuladas, como temperatura, pH e taxa de alimentação do substrato. Neste estudo, duas aplicações dessas técnicas baseadas em modelos matemáticos para otimizar e controlar bioprocessos de produção de antibióticos são revisadas e novos aspectos são enfatizados. Os casos analisados incluem a otimização da taxa de alimentação de substrato em um reator batelada alimentada e da temperatura em um reator batelada durante fermentações penicilínicas. Os principais resultados obtidos neste estudo foram: (i) a constatação de que métodos numéricos simples (Runge-Kutta, Newton-Raphson) podem ser aplicados para resolver satisfatoriamente os problemas de valor no contorno propostos; (ii) a demonstração de que a operação não isotérmica é mais produtiva em antibiótico do que a operação sob temperatura constante; (iii) a necessidade de adoção de um modelo matemático apropriado para o bioprocesso visando à resolução do problema de cont... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

Submitted by Camila Passos (camilapassos@ufscar.br) on 2017-01-20T18:02:18Z No. of bitstreams: 1 DissCP.pdf: 3881043 bytes, checksum: 0d91cb854f8bf16d1bcbdd2e83f37338 (MD5) / Approved for entry into archive by Camila Passos (camilapassos@ufscar.br) on 2017-01-20T18:03:50Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissCP.pdf: 3881043 bytes, checksum: 0d91cb854f8bf16d1bcbdd2e83f37338 (MD5) / Approved for entry into archive by Camila Passos (camilapassos@ufscar.br) on 2017-01-20T18:04:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissCP.pdf: 3881043 bytes, checksum: 0d91cb854f8bf16d1bcbdd2e83f37338 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-20T18:04:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissCP.pdf: 3881043 bytes, checksum: 0d91cb854f8bf16d1bcbdd2e83f37338 (MD5) Previous issue date: 2012-04-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Soybean and its derivatives have the desired properties for food either for humans or various animals because of its high protein content, which is associated to a good balance of amino acids. However, when the protein is hydrolyzed into smaller peptides, the nutritional value can increase further. A product with high nutritional value added but which does not present economic viability is not interesting for the industry. To analyze such viability, there are softwares that simulate and analyze a process plant. Thus, this study is two-fold: the mathematical modeling of the hydrolysis process and a preliminary analysis of economic viability. Concerning the modeling, two models were fitted: one that relates time with the degree of enzymatic hydrolysis of proteins of concentrated soybean meal and another that relates the degree of hydrolysis with the molecular weight distribution of the pseudocomponents. The analysis of economic viability was conducted using software SuperPro Designer. For this purpose, a degree of hydrolysis and its molecular weight distribution was chosen, and then, an industrial plant was modeled and simulated in a preliminary project level. For the kinetic model, hydrolysis was conducted in laboratorial scale, using a pHstat and an enzyme called Novo-Pro D. The product was analyzed by liquid chromatography. The data were analyzed and the ones obtained in the best conditions were used to fit the model. The best conditions were 55oC, pH 9, 90% humidity, 0,5% m(enz/sub). The kinetic fitting was well described by the Michaelis-Menten with competitive inhibition and neural network described with high fidelity the relation between the concentration of the pseudocomponents and the degree of hydrolysis. Regarding the analysis of the preliminary project of an industrial plant for the production of hydrolyzed protein of concentrated soybean meal, the plant was economic viable, but the project is in a very preliminary stage, due to a lot of unknown data so they were estimated increasing the uncertainty of results. / A soja e seus derivados possuem propriedades desejadas à alimentação tanto de humanos quanto de vários animais devido a seu alto teor protéico, o que está associado a um bom equilíbrio de aminoácidos. Porém, quando a proteína é hidrolisada em peptídeos menores, seu valor nutricional pode aumentar ainda mais. Um produto com grande valor nutricional agregado, mas que não é viável economicamente, não é interessante para a indústria. Para analisar tal viabilidade, existem softwares que simulam e analisam economicamente a planta de um processo. Assim, este trabalho teve como objetivo, primeiramente, desenvolver dois modelos: um que relacionasse o tempo com o grau de hidrólise obtido na reação de hidrólise enzimática das proteínas do farelo de soja concentrado pela enzima Novo-Pro D e outro que relacionasse esse grau de hidrólise com seu perfil peptídico gerado. Posteriormente, escolhido um grau de hidrólise e seu perfil peptídico, modelar e simular, nessas condições, uma possível planta industrial, na fase de projeto preliminar, para a hidrólise das proteínas do farelo de soja concentrado. Por fim, a viabilidade econômica dessa planta foi analisada, utilizando-se para isto o software SuperPro Designer. Para o ajuste dos modelos matemáticos, foram feitos testes em escala laboratorial, utilizando um pHstato, equipamento que faz medidas do grau de hidrólise e um cromatógrafo líquido, para a análise do perfil peptídico formado após a hidrólise. Os dados obtidos pelos experimentos foram analisados e as condições de hidrólise que apresentaram melhores benefícios foram utilizadas para se fazer o ajuste dos modelos. Os resultados obtidos, em relação às melhores condições, foram 90% umidade, temperatura de 55 oC, pH 9 e relação enzima/substrato de 0,5% (m/m). O ajuste cinético foi muito bem descrito pelo modelo de Michaelis-Menten com inibição competitiva, assim como a rede neural descreveu de maneira satisfatória a relação entre a concentração dos pseudocomponentes em um dado grau de hidrólise. Em relação à análise do projeto preliminar de uma planta para a produção de hidrolisados protéicos de farelo de soja concentrado, a planta se mostrou viável economicamente, mas o resultado guarda muitas incertezas, devido ao projeto se encontrar em uma fase muito preliminar e devido à falta de muitos dados de processo, que foram estimados.

Comparadas com células de mamífero, as células de inseto são mais fáceis de cultivar, não acumulam quantidade significativa de sub-produtos tóxicos e apresentam maiores rendimentos na expressão de proteínas heterólogas, porém apresentam uma menor capacidade de realizar modificações pós-traducionais. Células de inseto podem ser empregadas na produção in vitro de baculovírus, usados como pesticidas biológicos. As células Sf-9 estão entre as células de inseto com uso mais difundido. Entender o metabolismo destas células permitirá melhorias nos processos que as empregam, entretanto, ainda há relativamente pouca informação sobre o assunto. Considerando mais especificamente o uso dessas células para produção de baculovírus, também é necessário mais entendimento sobre o processo infectivo e parâmetros que o afetam. Este trabalho teve como objetivo estudar a influência da suplementação do meio de cultivo com diferentes aminoácidos no desenvolvimento das células Sf-9 e determinar a concentração de oxigênio dissolvido ideal para o cultivo destas células, visando elaborar uma metodologia de cultivo em biorreator otimizada e, paralelamente, estudar o processo de infecção de cultivos dessas células com o baculovírus Spodoptera frugiperda (SfMNPV) em diferentes escalas. Para estudar a influência que a adição de aminoácidos ao meio tem sobre o crescimento celular, células Sf-9 foram cultivadas em frascos schotts de 100 e 500 mL, com 20 mL do meio SF900III SFM (serum free medium) suplementados com cisteína, prolina, serina ou asparagina. Os resultados foram comparados com cultivos feitos sem suplementação (controles). A condição que apresentou o melhor resultado em frasco schott foi replicada em biorreator de 1 L de volume útil. Para estudar a influência do oxigênio dissolvido (O.D.) foram testados diferentes setpoints de O.D. em cultivos em biorreator. Em tais ensaios foram testadas as concentrações de O.D de 10%, 30% e 50% da saturação com o ar. Para o estudo do processo de infecção, foram realizadas infecções em frascos schotts de 500 mL, com 20 mL de cultivo, e em biorreator de 1 L. Também foram realizadas infecções em garrafas T-25 como forma de controle de virulência do inóculo viral e do vírus produzido. As principais variáveis analisadas foram µmáx, Xvmáx YX/Glc. Nos ensaios de influencia de O.D., analisou-se também qO2 e qCO2 e, nos ensaios de infecção, a porcentagem de células contendo poliedros. A suplementação com prolina foi prejudicial ao cultivo. A adição de asparagina não teve qualquer influência no desenvolvimento celular. Os resultados das adições de cisteína e serina não foram muito conclusivos, em alguns ensaios houve aumento de Xvmáx, já em outros não foi notado efeito significativo. Nos ensaios em biorreator, todos os valores de O.D. testados apresentaram resultados semelhantes, já a adição de cisteína ao meio em biorreator foi bastante maléfica ao crescimento celular. Os ensaios de infecção mostraram que células Sf-9 são bastante susceptíveis à infecção pelo baculovírus Spodoptera frugiperda e boas produtoras de poliedros virais, e que a vazão gasosa tem efeito negativo na concentração viral na fase líquida dos cultivos em biorreator (título viral). / Compared to mammalian cells, insect cells are easier to culture, do not accumulate significant amounts of toxic byproducts and are capable of higher heterologous protein yields, but have a lower ability to perform post-translational modifications. Insect cells may be employed in the in vitro production of baculoviruses, used as biological pesticides. Sf-9 cells are among the most used insect cell lines. Understanding the metabolism of these cells would allow improvements in the processes that employ them, however, Howeverreports on the metabolism and physiology of Sf-9 cells and insect cells in general are scarce. When considering the use of these cells for baculovirus production, it is also necessary more understanding about the infective process and parameters that can affect it. This work aimed to study the influence that the supplementation of the culture medium with different amino acids have on the development of Sf-9 cells and to determine the ideal dissolved oxygen concentration for the culture of these cells, aiming to elaborate an optimized bioreactor culture methodology and, in parallel, to study the infection process of these cells with the Spodoptera frugiperda baculovirus (SfMNPV) at different scales. To study the influence that the addition of amino acids to the medium has on cell growth, Sf-9 cells were cultured in 100 and 500mL schott flasks with 20mL SF900III SFM (serum free medium) supplemented with cysteine, proline, serine or asparagine. The results were compared with cultures without supplementation (controls). The condition that presented the best result in schott flasks was replicated in a 1L bioreactor. To study the influence of dissolved oxygen (O.D.), experiments with different values of O.D. were conducted at a 1L bioreactor. The O.D. tested were 10%, 30% and 50% of air saturation. To study the infection process, infections were carried out in 500 mL schotted flasks, with 20 mL of culture, and in a 1L bioreactor. Infections were also carried out in 25 cm² T-flasks as a form of virulence control of the viral inoculum and virus produced. The main variables analyzed were µmax, Xvmax YX/Glc. In the O.D. tests, qO2 and qCO2 were also analyzed and, in the infection assays, the percentage of cells containing polyhedra. Proline supplementation was detrimental to the culture. The addition of asparagine had no influence on cellular growth. The results of cysteine and serine additions were not very conclusive, in some studies there was an increase of Xvmax, while in others no significant effect was observed. In the bioreactor trials, all O.D. tested showed similar results and the addition of cysteine to the medium was quite harmful to cell growth. Infection assays showed that Sf-9 cells are quite susceptible to infection by the Spodoptera frugiperda baculovirus and good producers of viral polyhedra, and that the gas flow has a negative effect on the viral concentration in the liquid phase of the bioreactor cultures (viral titer).

Os fungos filamentosos são utilizados em larga escala na produção de produtos biotecnológicos na indústria devido a sua versatilidade e um dos exemplos são as peptidases que representam uma das principais classes de enzimas hidrolíticas. As peptidases são hidrolases que catalisam a quebra das ligações peptídicas das proteínas e que nos microrganismos são responsáveis por funções fisiológicas e patológicas, além de ter muitas aplicações em diversos campos industriais. Neste estudo foram analisados diferentes bioprocessos fermentativos para produção de peptidases pelo fungo Aspergillus terreus. Este microrganismo foi capaz de produzir peptidases em ambos os bioprocessos, sólido ou submerso, obtendo melhor performance e o pico de produção no bioprocesso fermentativo sólido de valor 677U/mL, nas condições 5g de farelo de trigo, 72 horas, 30°C e 75% de umidade. Utilizando o bioprocesso fermentativo submerso também obtivemos resultados satisfatórios com pico de atividade de 360U/mL, nas condições de meio padrão suplementado com Caseína 0,5%, 72 horas e 35°C. A caracterização bioquímica parcial dos extratos dos dois bioprocessos mostrou semelhanças entre algumas características das enzimas produzidas como a faixa extensa de pH ótimo abrangendo regiões ácidas, neutra e alcalinas, temperatura ótima pontual de 55°C e perfil de inibição pelo PMSF e EDTA. Contudo, os perfis de estabilidade (pH e temperatura) e comportamento frente a adição de íons apresentaram respostas diferentes entre si, o que sugere a produção de enzimas diferentes produzidas pelo mesmo fungo em meios distintos. A microencapsulação por Spray Drying como processo de estabilização foi satisfatória obtendo rendimentos de 37,5-58,2% e com níveis acima de 50% de atividade enzimática. Em contrapartida, a imobilização enzimática demonstrou ser eficaz na etapa de ligação ao suporte, mas não foi capaz de estabilizar a enzima presente no extrato, o que ficou caracterizado pela perda de atividade proteolítica. / Filamentous fungi are extensively used in the production of biotechnological products in industry because of their versatility and one of the examples are peptidases which constitute a major class of hydrolytic enzymes. The peptidases are hydrolases which catalyze the cleavage of peptide bonds of proteins and microorganisms that are responsible for the physiological and pathological roles, in addition to having many applications in various industrial fields. This study evaluated various bioprocesses for fermentative production of peptidases by the fungus Aspergillus terreus. This microorganism was able to produce peptidase in both bioprocess, solid or submerged, achieving better performance in the solid bioprocess with peak of production of 677U/mL under the conditions 5g wheat bran, 72 hours, 30°C and 75% humidity . Using submerged fermentation bioprocess we also obtained satisfactory results with peak of activity of 360U/mL with conditions of standard medium supplemented with 0.5% casein, 72 hours and 35°C. Biochemical characterization of the two partial purified extracts showed similarities between some characteristics of the enzymes produced, as large optimum pH range spanning regions acidic, neutral and alkaline point temperature optimum of 55 ° C and the inhibition profile of PMSF and EDTA. However, the stability profiles (pH and temperature) and behavior in addition ions showed different responses to each extract, which suggests the production of different enzymes in different ways. Microencapsulation by Spray Drying and stabilization process was obtaining satisfactory yields of 37.5 to 58.2%, with levels above 50% of enzyme activity. In contrast, the enzyme immobilization step was effective in bonding the support, but was not able to stabilize the enzyme present in the extract, which was characterized by the loss of proteolytic activity

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The production of a bioherbicida for the biological control of weeds requires the development of a series of steps ranging from the selection of a suitable microbial strain for the production of product having herbicidal action until final formulation. Thus, this study aimed to select microorganisms from biological resources of the Pampa biome with potential for producing phytotoxins. Systematic samplings were performed with infectious symptoms in rice-growing areas and natural pastures of the Pampa biome. The first stage of the research was to select isolates with pathogenic potential inhibition test plants seedlings (Cucumis sativus L. var wisconsin.). The fungus that showed the best inhibitory effect was the VP51, identified through the use of molecular biology techniques, classified as Diaporthe sp. For optimization studies by means of submerged fermentation, industrial waste corn steep liquor were used (AMM) and sorghum (MAS), compared to synthetic medium. The means of submerged fermentation industry (AMM) showed better growth of fungal biomass and effect on test plant germination. In submerged fermentation bioreactor STR type, the rotation effect is significant, and the best results were obtained in tests with less rotation. In the pre-germination tests plants dormant and hard seeds were recorded, with a satisfactory result as biocontrol potential germination. / A produção de um bioherbicida para o controle biológico de plantas daninhas requer o desenvolvimento de uma série de etapas que vão desde a seleção de uma cepa microbiana apropriada para a produção do produto com ação herbicida até a sua formulação final. Nesse sentido, esse trabalho teve como objetivo selecionar micro-organismos a partir dos recursos biológicos do bioma Pampa com potencial na produção de fitotoxinas. Foram realizadas coletas sistemáticas de plantas com sintomas infecciosos em áreas de cultivo de arroz irrigado e pastagens naturais do bioma Pampa. A primeira etapa da pesquisa foi selecionar isolados fitopatogênicos com potencial de inibição de plântulas de plantas-teste (Cucumis sativus L. var wisconsin.). O fungo que apresentou o melhor efeito inibitório foi o VP51, identificado através do uso de técnicas de biologia molecular, classificado como Diaporthe sp. Para estudos de otimização do meio de fermentação submersa, foram utilizados resíduos industriais de água de maceração de milho (AMM) e de sorgo (MAS), comparando com o meio sintético. O meio de fermentação submersa em meio industrial (AMM) apresentou melhor crescimento de biomassa fúngica e efeito na germinação de plantas-teste. Na fermentação submersa em biorreator do tipo STR, o efeito da agitação foi significativo, sendo que os melhores resultados foram obtidos nos ensaios com menor agitação. Na germinação das plantas testes foram registradas sementes dormentes e duras, sendo um resultado satisfatório como potencial biocontrole da germinação.