Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6193.pdf: 1697828 bytes, checksum: 4cc53ac247e8d63c069aaa864a656b3a (MD5) Previous issue date: 2014-02-27 / Financiadora de Estudos e Projetos / Clavulanic acid (CA) produced by Streptomyces clavuligerus, is a potent inhibitor of beta-lactamases used in combination with conventional beta-lactam antibiotics in the treatment of infections caused by resistant bacteria to these antibiotics. The biosynthesis of CA is limited by high concentrations of carbon source and like other beta-lactam compounds, it is highly unstable in acidic or basic pHs even at moderate temperatures. In this work, it was investigated different strategies to improve the production of AC. Batch and batch cultivations with glycerol pulses were carried out in shaker at 250 rpm and pH 6.8 at constant temperatures of 20, 25 and 30°C (run control), as well as with temperature reduction after cell growth phase from 30 to 25°C, 30 to 20°C and 25 to 20 C. It was also investigated the effects of temperature and pH on the AC degradation at various cultivation times in the presence of different concentration of ammonium ion. It was observed that the use of low temperatures (20°C) during cultivation reduced the substrate uptake rate and provides a higher accumulation of AC, in the broth by reducing the effects of CA degradation and inhibition effects caused by carbon source. Batch cultivations with higher glycerol concentration (30 and 60 g/L) were also performed at low temperature (20 and 25°C). The results confirmed that glycerol inhibits or even represses the biosynthesis of CA, depending of the temperature condition employed. The highest CA concentration value (1543 mg/L) were obtained for the cultivation at 20°C and 30 g/L glycerol, 9.2 fold-higher than run control at 30°C. The kinetics of CA degradation at pHs 6.5 and 7.5 and at different concentrations of ammonium ion (0 to 1000 mg/L) were also evaluated. It observed that the degradation was highest at pH 7.5 and higher concentration of ammonium ion. For all proposals of cultivations for CA production, it was obtained a maximum CA concentration in fermentation broth of about 1.5 g/L, indicating that CA acts as an inhibitor of its own biosynthesis. Then, the potential CA removal from broth culture was evaluated by using of alternative adsorbents such as activated carbon, clinoptilolite calcined hydrotalcite, and an ion exchange resin Amberlite IRA 400, for application in extractive fermentation process. The use of resin IRA 400 as an adsorbent to remove CA during cultivation resulted in an increase of 48% in maximum CA concentration if compared with cultivation at the same temperature condition (20°C) and glycerol concentration (15 g/L) conducted without product removal, confirming the hypothesis of inhibition by product in the CA production process. In cultivation at 20°C with glycerol concentration of 30 g/L and product removal, it was obtained a highest CA production of 2841 mg/L. The results indicate that the use of low temperature combined with the removal of product during the production process of AC represent a new and effective strategies to greatly increase the yield of CA. / O ácido clavulânico (AC), produzido pela bactéria Streptomyces clavuligerus, é um potente inibidor de beta-lactamases utilizado em combinação com antibióticos betalactâmicos convencionais no tratamento de infecções causadas por bactérias resistentes a estes antibióticos. A biossíntese de AC é limitada por altas concentrações de fonte de carbono e assim como outros compostos beta-lactâmicos, é altamente instável em pH s básicos ou ácidos, mesmo em temperaturas moderadas. No presente trabalho, foram investigadas diferentes estratégias de melhoria da produção de AC. Foram realizados cultivos em batelada e batelada com pulsos de glicerol em mesa incubadora rotativa a 250 rpm e pH 6,8 em temperaturas constantes de 20, 25 e 30ºC (controle), bem como cultivos com redução de temperatura após a fase de crescimento celular de 30 para 25ºC, 30 para 20ºC e 25 para 20ºC. Foram também investigados os efeitos da temperatura e do pH na degradação de AC em diferentes tempos de cultivo e na presença de íons amônio. Observou-se que o uso de baixas temperaturas (20ºC) durante o cultivo reduz a velocidade de consumo de substrato e proporciona um maior acúmulo de AC, ao reduzir os efeitos de degradação e os efeitos de inibição pela fonte de carbono. Foram também realizados cultivos em batelada com alta concentração de glicerol (30 e 60 g/L) a baixa temperatura (20 e 25ºC). Os resultados confirmaram que o glicerol inibe ou até reprime a biossíntese de AC, dependendo da condição de temperatura empregada. Os maiores valores de concentração de AC foram obtidos para o cultivo a 20ºC e 30 g/L de glicerol (1543 mg/L), valor 9,2 vezes maior que o cultivo controle em batelada a 30ºC. As cinéticas de degradação de AC em pH s 6,5 e 7,5 e em diferentes concentrações de íons amônio (0 a 1000 mg/L) também foram avaliadas. Verificou-se que a degradação foi acentuada em pH 7,5 e com maiores concentrações de íons amônio. Para todas as propostas de cultivos de produção de AC, obteve-se uma concentração máxima de AC no caldo de cerca de 1,5 g/L, indicando ser o AC inibidor da sua própria biossíntese. Foram então avaliados os potenciais de remoção de AC do caldo de cultivo por adsorventes alternativos como carvão ativado, clinoptilolita e hidrotalcita calcinada, e por uma resina de troca iônica, Amberlite IRA 400, para aplicação no processo de fermentação extrativa. O uso de resina IRA 400 como adsorvente para remover AC durante o cultivo resultou num aumento de 48% na concentração máxima de AC em comparação com o cultivo na mesma condição de temperatura (20ºC) e concentração de glicerol inicial (15 g/L) realizadas sem a remoção do produto, comprovando a hipótese de inibição pelo produto no processo de produção de AC. Em cultivo a 20ºC com concentração de glicerol de 30 g/L e remoção de produto, obteve-se uma alta produção de AC de 2841 mg/L. Os resultados indicam que o uso de baixa temperatura aliado à remoção de produto durante a produção de AC representam novas e eficientes estratégias que elevam sobremaneira o rendimento da produção de AC.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3185.pdf: 3522652 bytes, checksum: 063df10d4f80507d55f3980b84be9243 (MD5) Previous issue date: 2010-03-31 / Universidade Federal de Sao Carlos / Penicillin Acylases are enzymes of great industrial importance, being used mainly for production of 6-aminopenicillanic acid, 6-APA from penicillin G. In the late 90's, its use for synthesis of β-lactam semisynthetic antibiotics began on an industrial scale, an alternative in the context of "green chemistry" to the chemical synthesis of high environmental impact. The aiming thesis was to evaluate the influence of the growth media on the strains of Bacillus megaterium that will be used in the cloning of the gene pac in own B. megaterium, aiming at a larger number of copies of the gene, thus increasing the levels of expression of the enzyme penicillin G Acylase (PGA). It was determined the main metabolites produced by strains ATCC 14945 QB 1551 and PV 361 (the latter given by Professor Patricia Vary, corresponding to the wild QB 1551 with all megaplasmids deleted, which will be cloned with enzyme PGA). Evaluated medium has some influence on the metabolism of the organism, in order to optimize the production of the enzyme in cultures of high cell concentrations. The analysis of experimental data showed the strain PV 361 reached the highest cell concentration 16,6 g / L (dry weight), in fed-batch cultivation with the SNB medium with cheese whey (10,0 g / L), compared with 12,5 g / L without the presence of whey and 9,6 g / L in the LB-B medium. In cultures in SNB medium with whey the concentration of lactic acid reached 22,1 g/L, compared with 13,2 g/L in the absence of whey. However for the LB-B medium, the main product was acetic acid with a concentration of 6,7 g /L. Kinetic parameters were calculated as μmax, Yx/s, during the fed-batch cultivations in a bioreactor in stirred tank and aerated in a bench scale (5 L and 2L). The kinetic model for growth and production of metabolites was defined from the test phase in bioreactor batch. The operation of fed-batch culture and pH control were not effective for improving the production of biomass, because it had a high lactic acid production (up to 8 g / L in phase with the batch means SNB) and acetic acid (above 6 g / L at the end of the batch with LB medium-B), concentrations that led to the inhibition of growth of the microorganism and induced its sporulation, biological phenomenon that once started is difficult to reverse and that hinders the production in high cell density (HCDC). / Penicilinas acilases são enzimas de grande importância industrial, sendo utilizadas principalmente para produção de ácido 6 - aminopenicilânico, 6-APA, a partir de penicilina G. Em fins da década de 90, seu uso para síntese de antibióticos β- lactâmicos semi-sintéticos teve início em nível industrial, como uma alternativa no âmbito da química verde , aos processos químicos de síntese, de alto impacto ambiental. Este mestrado teve por objetivo avaliar meios de crescimento celular para linhagens de Bacillus megaterium que foram usadas na clonagem de seu gene pac no próprio B. megaterium, visando a um maior número de cópias do gene, aumentando assim os níveis de expressão da enzima penicilina G acilase (PGA). Foram determinados os principais metabólitos produzidos pelas linhagens ATCC 14945, QB 1551 e PV 361 (este último cedido pela Profa. Patrícia Vary, correspondendo à linhagem selvagem QB 1551 com todos os megaplasmídeos deletados, na qual será clonada a enzima PGA). Avaliou-se a influência do meio sobre o metabolismo do microrganismo, com o objetivo de otimizar a produção da enzima em cultivos de altas concentrações celulares. A análise dos dados experimentais permitiu identificar que o meio no qual a linhagem PV 361 atingiu a maior concentração celular em cultivos em batelada alimentada foi o SNB com soro de queijo (10,0 g/L ), alcançando concentração celular de 16,6 g/L (massa seca), comparado com os 12,5 g/L sem a presença do soro e 9,60 g/L no meio LB-B. Em cultivos no meio SNB com soro, a concentração de ácido lático atingiu de 22,1 g/L, comparado com 13,2 g/L na ausência do soro. Já para o meio LB-B o produto principal foi o ácido acético com uma concentração de 6,7 g/L. Os parâmetros cinéticos ajustados foram: μmax = 0,285 h-1 e 0,106 h-1 com e sem o soro respectivamente, obtidos utilizando o algoritmo simulated annealing (SA) junto com o algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM). Foram calculados parâmetros cinéticos como μmax, Yx/s, na fase de batelada alimentada em cultivos em biorreator tipo tanque agitado e aerado, em escala de bancada (2L e 5 L). O modelo cinético de crescimento e de produção de metabólitos foi definido a partir de ensaios em biorreator na fase batelada. A operação do cultivo em batelada alimentada e o controle de pH não se mostraram efetivos para melhorar a produção da biomassa, pois se teve uma alta produção de ácido lático (acima de 8 g/L na fase batelada com o meio SNB) e acético (acima de 6 g/L ao final da batelada com meio LB-B), concentrações que levaram à inibição do crescimento do microrganismo e induziram sua esporulação, fenômeno biológico que uma vez inciado é de difícil reversão, e que dificulta ainda mas a produção em alta densidade.

Utilizou-se um meio de cultivo a base de farinha de mandioca, suplementado com nutrientes, em fermentador agitado (700 rpm) e aerado (10 litros de ar/min), com volume de reação de 10 litros praticamente constante, fração de inóculo de 10% em volume, ph 4,0 e temperatura de 35ºC. Foram realizados ensaios com concentração total de açúcares de 20 g/l e 40 g/l, tanto descontínuos como descontínuos alimentados. Nestes variou-se a vazão mássica de alimentação (fs), o instante de início de alimentação e a condição do xarope de farinha (previamente hidrolisado ou não). Repetições dos ensaios descontínuos indicaram variabilidade de resultados elevada. Não se observou expressivas mudanças no crescimento microbiano, a não ser pelo aumento na velocidade específica nos ensaios descontínuos alimentados a 20 g/l. A síntese de glicoamilase foi sensivelmente aumentada nos ensaios descontínuos alimentados a 20 g/l (produtividade dobrada). A 40 g/l, obteve-se produtividade 26% superior. Os melhores resultados foram obtidos com fs=17,1 gart/h a so=20 g/l e fs=32,2 gart/h a 40 g/l, e obteve-se o pior no ensaio em que se alimentou desde o início de cultivo. A so=20 g/l a repressão se apresenta como principal mecanismo de controle de síntese de glicoamilase, não ocorrendo a mesma a 40 g/l, ensaios nos quais a indução tornou-se muito relevante. / In order to study different processes and the influence of control mechanism on glucoamylase synthesis, several batch and fed-batch runs were made with Aspergillus awamori NRRL 3112. A medium containing cassava flour and nutrients were used in a 10 liters stirred and aerated tank, at pH 4,0 and temperature 35 °C. The batch and fed-batch runs used 20 and 40 g of total reducing sugars (TRS) per liter. In the fed-batch runs, the carbon source feed rate (fs), the feeding start time, and whether the syrup were pre-hydrolyzed or not were varied. Repeated batch runs showed significant variability. Notable changes in cell growth were not observed, unless by the increase of the specific growth rate in the 20 gTRS/l fed-batch runs. The enzyme productivity doubled in the lower sugar concentration fed-batch runs, but increased just 26% in the runs with 40g/l of TRS. The best results were achieved at 20g/l with carbon source feed rate=17,1 gTRS/h and fs=32,2 gTRS/h at 40g/l. The worst noted when the feeding started at the beginning of the run. At 20 gTRS/l, repression showed as the main mechanism control in order to synthesize glucoamylase. On the other hand induction became the relevant factor when 40gTRS/l were offered to microorganism.

Submitted by Cássio da Cruz Nogueira (cassionogueirakk@gmail.com) on 2017-02-13T14:57:58Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AvaliacaoPotencialBiotecnologico.pdf: 2998358 bytes, checksum: 8f3a932c518a34e03b009f67d86b48bc (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-02-15T15:18:42Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AvaliacaoPotencialBiotecnologico.pdf: 2998358 bytes, checksum: 8f3a932c518a34e03b009f67d86b48bc (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-15T15:18:42Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AvaliacaoPotencialBiotecnologico.pdf: 2998358 bytes, checksum: 8f3a932c518a34e03b009f67d86b48bc (MD5) Previous issue date: 2016-04-08 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A bioxidação é um dos pré-tratamentos utilizados antes da cianetação convencional para promover a solubilização de metais como cobre, ferro através da ação oxidante de micro-organismos nos sulfetos metálicos. Esta técnica consolidada é utilizada antes do processo de cianetação para reduzir o consumo de cianeto livre e tornar o ouro acessível aos processos posteriores de recuperação, elevando significativamente a extração deste metal. Desta forma, o presente trabalho consiste em estudar a melhor rota biotecnológica para o pré-tratamento de um minério aurífero e o efeito destes tratamento na avaliação do consumo de cianeto durante a cianetação . Para este fim, testes de bioxidação foram conduzidos em escala de laboratório utilizando um minério aurífero (90g/ton Au) proveniente de uma mina situada no Estado do Amapá, Brasil. As culturas bacterianas utilizadas nos testes biológicos de 20 dias foram Acidithiobacillus ferrooxidans, linhagem LR e Acidithiobacillus thiooxidans, linhagem FG01. Os produtos do processo de bioxidação foram submetidos a ensaios de cianetação para testes de avaliação de consumo de cianeto e recuperação de ouro. Os estudos experimentais realizados mostraram que após 24h de cianetação da amostra mineral sem tratamento a recuperação de ouro foi de 93% (32 mg/L) com o consumo de NaCN de 2,86 kg.t-1, enquanto a melhor extração entre as amostras bioxidadas foi a do biorreator R2 de condição oxidante com 87% (30 mg/L) de ouro, e com consumo de 2,64 kg.t-1 de NaCN. Os resultados obtidos mostram a viabilidade da técnica de bioxidação antes da cianetação para a redução no consumo de cianeto. / One of the most commonly used pre-treatments prior conventional cyanidation is the biooxidation. This technical is a biological process capable of promote solubilization of metals such as copper, iron through the oxidative action of microorganisms in metal sulfides and it is applied as a pretreatment in the cyanidation process to reduce free cyanide consumption making this a feasible and economic process. Thus, the aim of this work was to study the best biotechnology route for the pretreatment of the gold ore in order to reduce cyanide consumption during the convencional cyanidation and increasing the gold recovery. For this purpose, biological tests has been investigated at laboratory scale on a gold ore sample coming from Estado do Amapá, Brazil (90 g/ton). Bacterial cultures utilised in the biological tests of 20 days consisted of Acidithiobacillus ferrooxidans-LRe Acidithiobacillus thiooxidans-LR. The biooxidated samples were submitted to cyanidation tests for gold recovery and tests of consumption of cyanide. Experimental studies demonstrate that after 24h leaching time by direct cyanidation, the gold recovery was 93% (32 mg/L) with a cyanide consumption of 2,84 kg.t-1, while the best gold extraction between biooxidated samples was from bioreactor R2 with 87% (30 mg/L), and the cyanide consumption of 2,64 kg.t-1. Experimental results have shown the technical feasibility of the biooxidative prior to convencional leaching for for reducing the consumption of reagent cyanide.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4562.pdf: 2986258 bytes, checksum: 5fe70b396cc58a5895fb6425b01994bc (MD5) Previous issue date: 2012-08-10 / Agência Nacional de Petróleo / Soybean hull is a lignocellulosic biomass that contains 38-51% of cellulose, which could be converted to ethanol. In addition, contains 9-14% of protein that can be hydrolyzed by endoproteases, releasing oligopeptides with nutritional applications. Although glycoside and peptide linkages can be hydrolyzed by acids, the cellulose molecules are more resistant than the protein and hemicellulose molecules. In this way, the acid treatment of the biomass would reduce its hemicellulose content, and the remnant cellulose into solid fraction would be more susceptible to hydrolytic enzymes. In this work, different routes of protein, hemicellulose, and lignin solubilization were evaluated, intending to obtain ethanol and soluble oligopeptides from the soybean hull. The protein was recovered as oligopeptides by hydrolysis of the lignocellulosic biomass using the commercial endoprotease Novo-Pro DR at 60oC, pH 9.0, 5 h, and different enzyme concentrations (1, 2, and 4%, m/m). A sequential hydrolysis using chymotrypsin and Novo-Pro DR, both at 1% (m/m) enzyme concentration, was also evaluated. The results showed that hydrolysis with 1% Novo-Pro DR allowed solubilization of 56.9% of protein from the soybean hulls. Nonetheless, at same temperature and pH, in absence of enzyme, was possible to solubilized 45.6% of the proteins. This solubilization is probably due to liberation of the physically aggregated units. The increase of endoprotease concentration from 1 to 2% increased the protein removal to 74%. However, the increase from 2 to 4% not increased significantly the protein solubilization. The use of chymotrypsin, an enzyme with high specificity and that work at mild conditions, allowed a solubilization of 44% protein. Nonetheless, the removal of lignin using chymotrypsin was higher than that using Novo-Pro DR. When in-nature soybean hull was hydrolyzed by acid or protease (1% Novo-Pro DR) followed by acid, the protein removal was around of 90%. The lignocellulosic biomass was hydrolyzed with 3% (v/v) H2SO4, solid:liquid ratio of 1:4, 120oC, and 20 min. 20 min. Carbohydrate analyses showed that the acid treatment allowed to hemicellulose removal around of 46.7% in the xylose form. The protein content of the soybean hull was almost totally solubilized during the acid hydrolysis, without significant loss of cellulose. On the contrary, large cellulose loss was observed during the acid hydrolysis of in-nature soybean hull. In this way, if it is intended to produce a protein hydrolysate containing controlled composition or ethanol from remnant solid fraction, is strongly recommended the previous enzymatic solubilization of the proteins. The chemical composition of the solid biomass after sequential hydrolyses with protease and acid showed cellulose content around of 49% for all samples. So, the biomass treated with 1% (m/m) Novo-Pro DR was saccharified with Acellerase 1500 at 50oC, pH 4.8, and enzyme/substrate ratio of 7 FPU/g of cellulose for 72 h. Under the same conditions, soybean hull in-nature, pretreated with acid, and pretreated with protease were submitted to cellulolytic hydrolyses. The cellulose-to-glucose conversion was around of 40% for the last two biomass. The increase of the enzymatic load to 20 FPU/g of cellulose allowed a cellulose conversion of 55% for biomass pretreated with 1% (m/m) Novo-Pro DR, followed by acid hydrolysis. The supplementation of the Acellarase 1500 with 120 IU of β-glucosidase and 1% (m/m) of pectinase not produced any increased in the cellulose conversion. The biomass was pretreated by organossolv method (50% ethanol, 170oC, and 1h) and saccharified with Acellerase 1500 under the same conditions described above. This procedure yielded a cellulose conversion of 52%, with less removal of hemicellulose. This result showed that lignin was causing greater steric hindrances to the enzymatic attack. The biomass pretreated with acid and with protease (1% Novo-Pro D) followed by acid yielded the same glucose-toethanol conversion, reaching an ethanol concentration around of 13 g/L. / A casca de soja, sendo um residuo lignocelulosico, contem celulose (38-51%) que pode ser convertida a etanol. Alem disso, contem 9-14% de proteinas, que uma vez hidrolisadas por endoproteases podem liberar de forma especifica oligopeptideos com aplicacoes nutricionais. Ligacoes glicosidicas e peptidicas podem ser rompidas por hidrolise acida, sendo hemicelulose mais susceptivel a que celulose. O ataque acido ao material permitiria assim reduzir o conteudo de hemicelulose da biomassa, tornando a celulose que permanece na fracao solida insoluvel mais acessivel as enzimas hidroliticas. Neste trabalho, foram estudadas diferentes rotas de solubilizacao de proteinas, hemicelulose lignina presentes na casca de soja, visando obtencao de etanol da fracao solida e oligopeptideos na fracao liquida. A recuperacao de proteinas na forma de peptideos foi feita hidrolisando-se a biomassa inicialmente com extrato comercial de endoprotease Novo-ProD, a 60oC, pH 9, por 5h, nas concentracoes enzimaticas de 1, 2 e 4% (m/m). Foi tambem testada, na sequencia da hidrolise com Novo-ProD1%, nova hidrolise com quimotripsina 1% (m/m). Os resultados mostraram que a hidrolise proteolitica com 1% de Novo-ProDpermitiu remocao de 56,9% da proteina presente na casca. Contudo, foi tambem verificado que e possivel remover 45,6% das proteinas nas mesmas condicoes, na ausencia de enzima, a pH9,0, possivelmente devido a liberacao de unidades agregadas apenas fisicamente. Um aumento da concentracao de endoproteases de 1% para 2% elevou a remocao para 74% de proteinas, nao se observando aumento significativo na extracao de proteinas aumentandose de 2 para 4%.. Com uso da enzima mais especifica, a quimotripsina, que opera em condicoes mais brandas, foi possivel remover 44% das proteinas, com uma maior remocao de lignina do material, comparando-se com Novo-ProD. Hidrolise acida de casca in natura ou sequencial a hidrolise com Novo-ProD1% sequencial permitiu atingir uma remocao total de aproximadamente 90%de proteinas O material solido remanescente e a casca in natura foram submetidos a hidrolise acida com H2SO4 3% (v/v), razao 1:4 (solido/liquido), 120oC, 20 min. Em todos os casos, as analises de carboidratos mostraram que foi possivel remover aproximadamente 46,7% de hemicelulose, maior parte na forma de xilose. Durante o tratamento acido ocorreu a remocao de quase toda a proteina da casca de soja, sem perda expressiva de celulose, o que se observou ocorrer na hidrolise acida da casca in natura. Assim, seja para obter-se um hidrolisado proteico de composicao controlada, seja para producao de etanol da fracao solida remanescente e recomendavel a remocao enzimatica previa de proteinas. A composicao quimica do material solido apos hidrolises proteolitica e acida sequenciais mostrou teores de celulose similares para todas as amostras (aproximadamente 49 %). Assim, o solido pre-tratado com 1% de Novo Pro-D, foi utilizado para a obtencao dos acucares fermentesciveis usando o complexo enzimatico Acellerase 1500 a 50oC, pH 4,8 e razao enzima/substrato de 7 FPU/g celulose durante 72 h. Nestas mesmas condicoes foram hidrolisadas as amostras de casca in natura pre-tratada com acido, a casca in natura e a casca apos hidrolise proteolitica. A conversao enzimatica de celulose em glicose foi em torno de 40%, tanto para as amostras pre-tratadas com Novo- ProD como para a amostra submetida so a hidrolise acida. Com um aumento de carga enzimatica para 20 FPU/g celulose foi possivel atingir uma conversao de 55% para amostras pre-tratadas com 1% de Novo-ProDe hidrolise acida sequenciais. A suplementacao do complexo enzimatico Acellerase 1500 com 120 UI de β-glicosidase e 1%(m/m) de pectinase nao produziu aumento na conversao enzimatica. A hidrolise da celulose proveniente de pre-tratado por organossolve usando etanol 50% a 170oC por 1 hora resultou em 52% de conversao com uma menor remocao de hemicelulose mostrando que a lignina estava causando o maior impedimento para o ataque enzimatico. A conversao de glicose em etanol foi similar para as amostras pre-tratadas por hidrolise acida e com as hidrolises proteoliticas (1% Novo-ProD) e acidas sequenciais chegando a uma concentracao aproximada de 13 g/L.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5178.pdf: 2466586 bytes, checksum: be50519a129b12383d84e69ae25b54db (MD5) Previous issue date: 2013-02-28 / Universidade Federal de Sao Carlos / The use of mesenchymal stromal cells (MSCs) for clinical therapy has been limited by the low amount of cells that can be obtained directly from tissue, making it necessary to develop techniques for in vitro cell number expansion. The current methods of expansion are laborintensive, exhibit unfavorable environments for cell growth, show still modest levels of expansion and low yield in the recovery of these cells. In the search for better alternatives, several types of bioreactors have been assessed, however, with results still discreet. A littlestudied system, which has showed itself very effective in the use with other types of animal cells, is the hollow fiber bioreactor. This bioreactor has relatively homogeneous culture environment, low level of hydrodynamic stress on cells and the process control is made through manipulation external to the culture. Thus, it is proposed in this work the study of the in vitro expansion of MSCs in 15 mL hollow fiber prototype bioreactor designed and built with a configuration specifically conceived for expansion of MSCs for use in therapeutic applications. The inoculum was prepared with MSCs precultured adhered to microcarrier Cultispher-S at concentration of 4 g/L in spinner flask containing 50 mL of α-MEM culture medium with 15% v/v fetal bovine serum. The preculture was performed in CO2 incubator at pH close to 7.3 and temperature of 37°C. For bioreactor expansion cultures, it was used the same culture medium, with addition of 12 g/L of alginate and 4.25-4.50 mM of CaCl2 as gelling agents to immobilize and keep in suspension the microcarriers, in the conditions of pH and temperature used in the preculture. The oxygenation of the culture medium continuously recirculated through the intracapilar space was carried out by air bubbling in an external flask. The oxygenation levels were of 70 to 90% of saturation with air. The experimental results obtained show that the used configuration of hollow fiber bioreactor promoted good conditions for expansion of MSCs without cell aggregation, reaching 15.3-fold expansion and cell recovery levels of 82%. These results also demonstrate the possibility of improving the efficiency of MSCs expansion through the renewal of medium to maintain suitable levels of arginine, nutrient present in limiting amounts, and ammonium, growth inhibitor metabolite. / A utilização de células estromais mesenquimais (MSCs em inglês) para a terapia clínica tem sido limitada pela baixa quantidade de células que podem ser obtidas diretamente do tecido, tornando necessário o desenvolvimento de técnicas de expansão do número de células in vitro. Os métodos atuais de expansão apresentam necessidade de intensa mão de obra, ambientes desfavoráveis para o crescimento celular, níveis de expansão ainda modestos e baixo rendimento na recuperação destas células. Na procura de melhores alternativas, diversos tipos de biorreatores vêm sendo avaliados, porém, com resultados ainda discretos. Um sistema pouco estudado que tem se mostrado muito eficiente no uso com outros tipos de células animais é o biorreator de fibra oca. Este biorreator apresenta ambiente de cultura relativamente homogêneo, baixo nível de forças hidrodinâmicas sobre as células e o controle do processo é feito através de manipulação externa à cultura. Assim, é proposto neste trabalho o estudo da expansão in vitro de MSCs num protótipo de biorreator de fibra oca de 15 mL projetado e construído com uma configuração especialmente concebida para expansão de MSCs a serem utilizadas em aplicações terapêuticas. O inóculo foi preparado com MSCs précultivadas aderidas ao microcarregador Cultispher-S na concentração de 4 g/L em frasco spinner contendo 50 mL de meio de cultura α-MEM com 15% v/v de soro fetal bovino. O précultivo foi realizado em incubadora de CO2 a pH próximo a 7,3 e temperatura de 37°C. Para os cultivos de expansão no biorreator foi utilizado o mesmo meio de cultura, com adição de 12 g/L de alginato e 4,25-4,50 mM de CaCl2 como agentes geleificantes para imobilizar e manter suspensos os microcarregadores, nas condições de pH e temperatura utilizadas no précultivo. A oxigenação do meio de cultura continuamente recirculado pelo espaço intracapilar foi realizada mediante borbulhamento de ar em um frasco externo. Os níveis de oxigenação foram de 70 a 90% da saturação com ar. Os resultados experimentais obtidos mostram que a configuração utilizada propiciou boas condições para a expansão sem agregação celular das MSCs, chegando-se a fatores de expansão estimados de 15,3 vezes e níveis de recuperação de células de 82%. Esses resultados também evidenciam a possibilidade de melhora da eficiência da expansão das MSCs através da renovação do meio de cultivo para a manutenção de níveis adequados de arginina, nutriente presente em quantidades limitantes, e amônia, metabólito inibidor de crescimento.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5322.pdf: 3668179 bytes, checksum: e3612c159bebd3f0a5be1640868316ae (MD5) Previous issue date: 2013-03-21 / Financiadora de Estudos e Projetos / The conversion of the hemicellulosic fraction in ethanol is a factor that impacts on the economic viability of the second generation ethanol production process from sugar cane bagasse. Hemicellulose from bagasse is a heteropolymer constituted by pentoses and glucose, being xylose the predominant sugar (~ 21 %). Among the available technological alternatives for ethanol production from xylose, SIF process (Simultaneous Isomerization and Fermentation), consisting of xylose conversion to xylulose by glucose isomerase (GI) enzyme and xylulose fermentation by the yeast S. cerevisiae, is considered a promising alternative. The main objectives of the present work were: i) evaluate the performance of different S. cerevisiae strains towards xylulose intake and ethanol productivity; ii) assess the influence of cultivation conditions (temperature, oxygen availability and initial xylose concentration) upon ethanol and xylitol production by the selected strains; iii) define the operation conditions for the continuous SIF process, using a system of fixed bed reactors associated in series. Preliminary experiments were conducted in 50 mL flasks, containing 4 g of pellets with a load of 20 % of immobilized GI, co-immobilized with yeast (load of 10 %) in alginate gel. For the screening of yeasts showing better performance on ethanol production from xylose, two commercial baker´s yeast strains (Itaiquara® e Fleischmann®), three industrial strains (BG-1, CAT-1 e PE-2) and one lab strain (CEN.PK113-7D) were evaluated. These experiments were performed at 35 oC, using a medium composed by xylose (60 g/L), urea (5 g/L), CaCl2 (1.9g/L) and several salts, at initial pH of 5.6. Additional SIF studies were carried out with the selected yeasts Itaiquara®, BG-1 or CEN.PK113-7D under different temperature conditions (40 oC), aeration (15 mL flasks) and initial xylose concentration (130 g/L) for comparison with the results obtained at the standard conditions. For SIF cultures, samples were withdrawal and the concentrations of reducing sugars were determined by DNS method while xylose, xylulose, ethanol and by-products (xylitol, glycerol etc) concentrations were assessed by liquid chromatography. Cell viability was also measured at the beginning and end of the experiment. When comparing the different yeasts, Itaiquara® strain presented the best performance, reaching ethanol concentrations of 22.4 g/L, with a productivity of 2.1 g/Lh. The conversion of xylose was similar for all studied industrial strains as well as among the baker s yeast and lab strains. Concerning the group of additional experiments, at 40 oC, a decrease of viability and ethanol selectivity was observed for Itaiquara®, whereas productivity and selectivity for CEN.PK113-7D. was improved. For the studies conducted under semianaerobic conditions, the yeast BG-1 showed an increase in selectivity and yield. However, the reaction time increased to app. 45 hours. On the other hand, the performance of strain Itaiquara® was not altered by the lower level of oxygen tested. In the experiment with 120 g/L of xylose, more than 40 g/L of ethanol was obtained in 24 hours of cultivation. Thus, we conclude that the SIF process proposed in the present work is a viable alternative for the production of ethanol from xylose or lignocellulosic residues. For the operation of the continuous system composed by fixed bed reactors associated in series, the recommended conditions include the Itaiquara® yeast with a temperature no higher than 35 oC, keeping the total residence time around 10 hours for a feeding supply containing 60 g/L of xylose. / A conversão da fração hemicelulósica da biomassa em etanol é um dos fatores que impactam a viabilidade econômica do processo de produção de etanol de segunda geração a partir do bagaço de cana-de-açúcar. A hemicelulose do bagaço é um heteropolímero constituído por pentoses e glicose, sendo a xilose o açúcar predominante (~ 21 %). Dentre as diversas alternativas tecnológicas para a produção de etanol a partir de xilose, o processo SIF (Simultânea Isomerização e Fermentação), consistindo na isomerização da xilose em xilulose pela enzima glicose-isomerase (GI) e na fermentação da xilulose pela levedura S. cerevisiae, é considerado uma alternativa promissora. Os principais objetivos do presente trabalho foram: i) avaliar o desempenho de diferentes cepas de S. cerevisiae em termos de assimilação de xilulose e produtividade em etanol; ii) estudar a influência das condições de cultivo (disponibilidade de oxigênio, temperatura e da concentração inicial de xilose) na produção de etanol e xilitol pelas cepas selecionadas; iii) definir as condições de operação para um processo SIF contínuo em sistema de reatores de leito fixo associados em série. Os experimentos preliminares foram conduzidos em frascos de 50 mL contendo 4 g de pelletes com carga de 20 % de glicose isomerase imobilizada, coimobilizada com levedura (carga de 10%) em gel de alginato. Para a seleção da levedura com melhor desempenho na produção de etanol a partir de xilose, foram avaliadas duas linhagens de levedura de panificação comercial (Itaiquara® e Fleischmann®), três cepas industriais (BG-1, CAT-1 e PE-2) e uma utilizada em laboratório (CEN.PK113-7D). Esses experimentos SIF foram conduzidos a 35ºC utilizando meio composto por xilose (60 g/L), ureia (5 g/L), CaCl2 (1,9 g/L) e sais diversos, em pH inicial 5,6. Experimentos SIF complementares foram realizados com as leveduras selecionadas Itaiquara®, BG-1 ou CEN.PK113-7D em diferentes condições de temperatura (40oC), aeração (frascos de 15 mL) e concentração inicial de xilose (130 g/L) para comparação com os resultados obtidos nas condições padrão. Em todos os experimentos SIF, amostras foram retiradas para determinação da concentração de açúcares redutores (método DNS) e de xilose, xilulose, etanol e subprodutos (xilitol, glicerol etc.) por cromatografia em fase líquida. Foi também acompanhada a viabilidade celular ao longo do cultivo. Na comparação entre as diferentes leveduras, destacou-se especialmente a levedura Itaiquara®, alcançando concentrações de etanol de 22,4 g/L, com produtividade em etanol de 2,1 g/Lh. A conversão de xilose foi semelhante entre as leveduras industriais e entre as leveduras de panificação e a de laboratório. Quanto ao conjunto de experimentos complementares, na temperatura de 40ºC houve diminuição de viabilidade e seletividade em etanol para a Itaiquara® e melhora na produtividade e seletividade para a CEN.PK113-7D. Nos experimentos realizados em condições semianaeróbias, a levedura BG-1 apresentou aumento de seletividade e rendimento em etanol, porém para um tempo de reação de 45 horas, aproximadamente. Já a levedura Itaiquara® não teve seu desempenho influenciado pela menor disponibilidade de oxigênio. No experimento realizado com 130 g/L de xilose, alcançou-se mais de 40 g/L de etanol em 24 horas de cultivo. Conclui-se, assim, que o processo SIF de xilose, proposto no presente trabalho, é uma alternativa viável para a produção de etanol a partir de xilose ou de resíduos lignocelulósicos. Para a operação em sistema contínuo composto por reatores de leito fixo associados em série recomenda-se a utilização de levedura Itaiquara® e de temperatura de, no máximo, 35ºC, mantendo-se o tempo de residência total em torno de 10 horas para uma alimentação contendo 60 g/L de xilose.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6022.pdf: 1662458 bytes, checksum: 4e6f5f48dc72f84e96a68be96f5ddf02 (MD5) Previous issue date: 2014-03-28 / Financiadora de Estudos e Projetos / Penicillin G acylase (PGA) is the key enzyme for the industrial production of β-lactam antibiotics. Major current PGA demand is attended for producer organisms as Escherichia coli and Bacillus megaterium genetically modified. The enzyme produced by Escherichia coli accumulates in the periplasmic space of the bacteria and it requires cell disruption for recovery, whereas the enzyme from Bacillus megaterium is secreted into the production medium. This study aimed to evaluate the adsorption of PGA expressed by these two recombinant microorganisms in cationic and anionic resins for recovery and purification of the enzyme. For E. coli PGA was evaluated ionic adsorption of the enzyme in Streamline SP XL® cation exchanger resin after cell disruption by sonication. In this step, we assessed the influence of pH and buffer, to reduce the loss of enzyme inactivation and adjust the pH to a value suitable for a subsequent selective adsorption of the enzyme. The buffers evaluated were acetate, citrate, phosphate and carbonate, and the values of pH were adjusted between 4,5 and 11,0. No denaturation of the enzyme was observed in buffers and pHs evaluated. However, it was observed enzyme adsorption in cellular debris at pH values equal or smaller than 5,4, this debris adsorption was more apparent in the presence of acetate buffer. Thus, cell disruption was defined at pH 6.0 to prevent loss PGA in the adsorption of debris and adjustment of pH and salt molarity by dilution in the appropriate buffer to prevent denaturation of the enzyme by local reduction of the pH when uses concentrated acid. The STREAMLINE SP XL® resin showed higher adsorption capacity of PGA at pH 5,0 and the temperature range (4 and 25°C) did not influence it. The Langmuir isotherm represented adequately the experimental data of the enzyme adsorption resin at 4 and 25°C (pH 5,0) with similar values of qm and KL 25,4 U/g 185,2 U/g, respectively. Purification of PGA in a fixed-bed column showed overall recovery of activity around 50% and purification factor of about 9 times. The adsorption capacity of cationic resin in this mode of operation was 10,9 UNIPAB/mlresin. The PGA purification secreted by Bacillus megaterium recombinant, produced in a synthetic medium, was studied by ion adsorption resins and the following pH values: Streamline SP XL ® and IMMOBEAD IB-C435 (cation-exchanger resins, pH 5,0, 5,5 and 6,0); manae-agarose activated with 40 and 80mmoles/g amino groups (cation exchanger resin, pH 6,0, 7,0 and 7,5); STREAMLINE DEAE XL® and STREAMLINE Q XL® (anionic exchange resins, pH 7,5 and 8,5). Equilibrium experiments in cationic resins Streamline SP XL ® (4°C, pH 5,0) and IB-C435 IMMOBEAD (4°C, pH 5,5) allowed estimation of the parameters of the Langmuir model qm = 76,6 and 91,5 U/g KL = 294,7 and 412,3 U/g, respectively. Despite the high adsorptive capacity of these resins, they were not suited to purification of PGA, because their adsorbes PGA and the contaminants. Manae-agarose resins (40 and 80 μmoles/g) were not effective in PGA adsorption. The STREAMLINE anionic exchangers resins not adsorbed significant amount of PGA in pH evaluated, however, this resin performed a adsorption of almost of 50% proteins present in the medium, demonstrating selective for removal contaminating proteins. Adsorption assays in fixed-bed column Streamline Q XL ® (22°C, pH 8,0) showed that the resin is effective in adsorption of contaminating proteins, it is possible to recover approximately 70 % PGA with a purification factor of 4 times and high specific activity of about 25 U/mg. Already on STREAMLINE SP XL® (22ºC, pH 5,0) resin, the total enzyme recovery was 70 %, but with a purification factor of only 1,61 times and specific activity of around 11 U/mg. It was concluded that adsorption in anionic mode is more advantageous, because presents a better performance and avoid the enzyme dilution. The cultivation of recombinant B. megaterium in a high cell density bioreactor using complex medium, allowed to reach PGA volumetric activity of 50 U/mL. After concentration of the enzyme extract by ultrafiltration to 100 U/mL, was evaluated purification of the enzyme on gel filtration resin column using Superdex 200 Prep Grad (22 °C, pH 7,5). This technique allowed high enzyme recovery (>93%), however with a purification factor of 3 times and specific activity of 13 U/mg. / Penicilina G acilase (PGA) é a enzima chave para a produção industrial de antibióticos β-lactâmicos. Grande parte da demanda atual pela enzima é atendida pela sua produção por Escherichia coli e Bacillus megaterium geneticamente modificados. A enzima produzida por Escherichia coli acumula-se no espaço periplasmático da bactéria, requerendo rompimento celular para sua recuperação, enquanto que a enzima produzida por Bacillus megaterium é secretada para o meio de produção. Este trabalho teve como objetivo avaliar a adsorção de PGA produzida por esses dois microrganismos recombinantes em resinas catiônicas e aniônicas para recuperação e purificação da enzima. Para PGA de E. coli avaliou-se a adsorção iônica da enzima na resina de troca catiônica STREAMLINE SP XL® após rompimento celular por sonicação. Nesta etapa, avaliou-se a influência do tampão e do pH, visando reduzir a perda de enzima por inativação e ajustar o pH a um valor apropriado para uma posterior adsorção seletiva da enzima. Os tampões avaliados foram acetato, citrato, fosfato e carbonato, ajustados para valores de pH entre 4,5 e 11,0. Não se observou desnaturação da enzima nos tampões e pHs avaliados. Contudo, observou-se adsorção da enzima nos debris celulares a valores de pH iguais ou menores que 5,4, sendo mais acentuada essa adsorção na presença de tampão acetato. Definiu-se, assim, rompimento celular em pH 6,0 para evitar perda de PGA por adsorção nos debris e ajuste do pH e da molaridade do sal por diluição no próprio tampão da adsorção, para evitar desnaturação da enzima por redução local do pH quando se utiliza ácido concentrado. A resina STREAMLINE SP XL® mostrou maior capacidade de adsorção de PGA em pH 5,0, não sendo influenciada nas temperaturas avaliadas (4 e 25ºC). A isoterma de Langmuir representou adequadamente os dados experimentais de adsorção da enzima nessa resina a 4 e 25ºC (pH 5,0), com valores similares de qm e KL, 25,4 U/g e 185,2 U/g, respectivamente. A purificação de PGA em coluna de leito fixo apresentou recuperação global de atividade em torno de 50% e fator de purificação de aproximadamente 9 vezes. A capacidade de adsorção da resina de troca catiônica nesse modo de operação foi de 10,9 UNIPAB/mLresina. A purificação de PGA secretada por Bacillus megaterium recombinante, produzida em meio sintético, foi estudada por adsorção iônica da enzima nas seguintes resinas e valores de pH: STREAMLINE SP XL® e IMMOBEAD IB-C435 (resinas de troca catiônica, pHs 5,0, 5,5 e 6,0); MANAE-agarose ativada com 40 e 80 μmoles de grupos amino/g (resina de troca catiônica, pHs 6,0, 7,0 e 7,5); STREAMLINE DEAE XL® e STREAMLINE Q XL® (resinas de troca aniônica, pHs 7,5 e 8,5). Ensaios de equilíbrio para as resinas de troca catiônica STREAMLINE SP XL® (4ºC, pH 5,0) e IMMOBEAD IB-C435 (4ºC, pH 5,5) permitiram a estimativa dos parâmetros do modelo de Langmuir: qm = 76,6 e 91,5 U/g e KL= 294,7 e 412,3 U/g, respectivamente. Apesar da alta capacidade adsortiva dessas resinas, as mesmas não foram adequadas à purificação de PGA, pois adsorveram tanto PGA quanto proteínas contaminantes. As resinas MANAE-AGAROSE (40 e 80 μmoles/g) não foram eficazes na adsorção de PGA. As resinas STREAMLINE de troca aniônica não adsorveram quantidade significativa de PGA nos valores de pH avaliados, entretanto, adsorveram quase 50% de proteínas presentes no meio, mostrando-se assim seletiva para retirada das proteínas contaminantes. Ensaios de adsorção em coluna de leito fixo com STREAMLINE Q XL® (22ºC, pH 8,0) mostraram que a resina é eficaz na adsorção de proteínas contaminantes, sendo possível a recuperação de aproximadamente 70% de PGA com um fator de purificação de 4 vezes e alta atividade específica, em torno de 25 U/mg. Já na resina STREAMLINE SP XL® (22ºC, pH 5,0) a recuperação total da enzima foi de 70%, mas com um fator de purificação de apenas 1,61 vezes e atividade específica em torno de 11 U/mg. Assim, conclui-se que a adsorção no modo aniônico é mais vantajosa, pois além de maior purificação, não dilui a enzima. O cultivo de B. megaterium recombinante em biorreator com alta densidade celular, utilizando meio complexo, permitiu atingir atividade volumétrica de PGA de 50 U/mL. Após concentração do extrato enzimático por ultrafiltração até 100 U/mL, avaliou-se a purificação da enzima em coluna de gel de filtração utilizando a resina Superdex 200 prep grad (22ºC, pH 7,5). Essa técnica permitiu alta recuperação da enzima (>93%), entretanto com um fator de purificação de 3 vezes e atividade específica de 13 U/mg.

Made available in DSpace on 2016-08-17T18:39:28Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-03-30 / Valée S.A. / Swine erysipelas is one of the diseases responsible for the great economic losses in swine-producing areas of the world. The bacteria Erysipelothrix rhusiopathiae is the causative agent of erysipelas, and the vaccines currently available for prevention of this disease are produced with the whole broth culture containing the inactivated microorganism or its live-attenuated form. A surface protein was identified as the main antigen. It can be found in the culture supernatant or attached to the cell wall through interactions with the choline residues from the teichoic and lipoteichoic acids of this structure. Considering the lack of information in the scientific literature about studies concerning the growth pattern of this pathogen, the company Vallèe S.A, a Brazilian industry of veterinary pharmaceutical products, established a partnership with researchers form the Chemical Engineering Department of UFSCar with the purpose of developing the technology required for the production of the cited vaccine. In this context, the objective of this work was to optimize the growing conditions of E. rhusiopathiae to establish a protocol for production of high cellular concentrations, enough to prepare a vaccine against swine erysipelas offering the same or a higher protection level compared to the commercially available formulations. To achieve this goal, the growth kinetics of this microorganism was investigated under different aeration conditions (aerobiosis, anaerobiosis and microaerophilic condition), changes in the medium nutrient s concentration were analyzed, and mice protection tests using the prepared vaccines were performed. The studies about the aeration influence on the microorganism growth and the antigen expression were made using a 4.0 L stirred-tank bioreactor, with an agitation frequency kept between 100 and 400 rpm and air or N2 flow rate of 1.0 L/min. The studies for the improvement of the medium formulation were carried out in flasks incubated at static condition or under agitation of 200 rpm. The vaccines were prepared using medium harvested in both conditions. The temperature was set at 37°C and the initial pH at 8,0 in all experiments. Samples of culture supernatant and from cell extracts made with choline chloride were analyzed by electrophoresis under denaturating conditions (SDS-PAGE) to evaluate the antigen expression. The preliminary electrophoresis results indicated that the antigen production is associated to the cell growth and its expression is favored in the presence of oxygen. Cellular concentrations around 1,8 g/L were reached, in all different aeration conditions employed, using the stirred-tank bioreactor operating with pH automatic control and using the culture medium with nutrients concentrations increased in 50 % from the Feist medium described in literature. The vaccines prepared in aerobic and microaerophilic condition led to higher protection levels in the challenge-exposure tests, and a formulation made from an aerobic culture in bioreactor having a cellular concentration over 2,0 x 109 CFU/mL showed the same immunizing power as the three commercial vaccines used for comparison purposes. Observations about the inhibitory effects of metabolites accumulation and substrate saturation on the microorganism growth pointed the fed-batch as a promising operation mode to produce larger amounts of biomass. Cellular concentrations reached in the experiment ran under these condition were increased around five times. / A erisipela suína está entre as enfermidades que causam os maiores prejuízos na suinocultura mundial. O agente patogênico associado a esta doença é a bactéria Erysipelothrix rhusiopathiae, e as vacinas disponíveis atualmente para a prevenção da erisipela são produzidas com o caldo de cultivo deste microrganismo inativado ou atenuado. O principal antígeno identificado é uma proteína de superfície da bactéria encontrada no sobrenadante do caldo de cultivo ou aderida à parede celular através de interações com resíduos de colina dos ácidos teicóico e lipoteicóico desta estrutura. Diante da escassez de informações na literatura científica sobre estudos a respeito do crescimento deste patógeno, a empresa Vallèe S.A, indústria brasileira de produtos farmacêuticos de uso veterinário, firmou uma parceria com pesquisadores do Departamento de Engenharia Química da UFSCar para o desenvolvimento da tecnologia de produção dessa vacina. Assim, o presente trabalho teve como objetivo otimizar as condições de cultivo de E. rhusiopathiae de forma a estabelecer um protocolo de produção de altas concentrações celulares deste microrganismo, suficientes para produzir uma vacina contra a erisipela suína que oferecesse grau de proteção igual ou superior às formulações disponíveis no mercado. Para tanto, o crescimento do microrganismo foi estudado em diferentes condições de aeração (aerobiose, microaerofilia e anaerobiose), foram avaliadas alterações nas concentrações dos nutrientes do meio de cultivo e foram realizados testes de imunização em camundongos com as vacinas preparadas. Os estudos sobre o efeito da aeração no crescimento do microrganismo e na expressão do antígeno foram realizados em biorreator de 4,0 L, com uma faixa de agitação entre 100 e 400 rpm e vazão de ar ou N2 de 1,0 L/min. Os experimentos de aprimoramento do meio de cultivo foram conduzidos em câmara incubadora estática ou com agitação de 200 rpm. Já as vacinas foram preparadas em ambas as condições. A temperatura utilizada foi de 37°C e o pH inicial foi de 8,0 em todos os ensaios realizados. A expressão do antígeno foi avaliada por eletroforese em condições desnaturantes (SDS-PAGE) utilizando amostras do sobrenadante dos cultivos ou a partir de extratos das células preparados com solução de cloreto de colina. Os resultados destas análises revelaram que a produção do antígeno acompanha o crescimento celular e sua expressão é favorecida na presença de oxigênio. Concentrações celulares de até 1,8 g/L foram atingidas, nas três diferentes condições de aeração empregadas, nos cultivos realizados em biorreator com controle automático de pH e utilizando o meio de cultivo com as concentrações de nutrientes aumentadas em 50% em relação ao meio Feist modificado descrito na literatura. As vacinas preparadas com os cultivos aeróbio e microaerófilo proporcionaram um maior grau de proteção nos testes de imunização realizados, e a formulação preparada a partir de um cultivo aeróbio realizado em biorreator com concentração celular superior a 2,0 x 109 UFC/mL conferiu o mesmo nível de proteção que três vacinas comerciais utilizadas para fins de comparação. Observações sobre os efeitos de inibição do crescimento provocadas por acúmulo de metabólitos ou excesso de substrato, indicaram o modo de operação do biorreator em batelada alimentada como promissor para obtenção de maior concentração celular. Em um experimento realizado nesta condição a biomassa foi aproximadamente quintuplicada em relação aos ensaios em batelada simples.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6133.pdf: 10637138 bytes, checksum: 64ada7d9f618d8563b1dbee6ecf9ca2f (MD5) Previous issue date: 2013-09-30 / Universidade Federal de Sao Carlos / Due to owing to the nature of culture involving aerobic filamentous microorganisms, conventional aerated stirred-tank bioreactors using the Rushton turbine impeller are widely employed in order to achieve good mixing and oxygen mass transfer. However, this impeller presents disadvantages such as high power consumption, and generates higher shear in the medium, which can cause irreversible morphological changes in microorganisms, damaging the culture performance. In literature, impellers called "Elephant Ear" (EE), presented in down-flow (down-pumping) (EEDP) and up-flow (up-pumping) (EEUP) configurations, are indicated as suitable for cultivation of shear sensitive cells. However, this characteristic has never been demonstrated quantitatively. In the present study, the oxygen transfer and hydrodynamics parameters were evaluated and compared in a conventional aerated stirredtank bioreactor equipped with impellers as the classical impeller Rushton turbine (RT) and with EE in EEDP and EEUP modes. Firstly, prediction equations were obtained for quantifying the average shear rate (Ýav) in the different systems, as function of the operating conditions (600≤N≤1000 rpm and 0.40≤Ýavar≤1.2 vvm) and rheological properties of the pseudoplastic fluids (K and n), based on a methodology that uses the volumetric oxygen transfer coefficient as characteristic parameter. The values of Ýav obtained from the correlations for the RT impeller were within a range of values estimated from correlations of the literature, showing that the methodology utilized is valid. Based on correlations of Ýav and on results of power consumption, the energy dissipation and Kolmogorov micro-scale (micro eddy sizes) could be estimated. For non-Newtonian fluids, the RT and EEUP impellers generated micro-eddies with smaller sizes in the range from 45.0-127.0 and 80.6-123.7 μm, respectively, showing that the impellers RT and EEUP are more shear than EEDP impeller. Using the prediction equations of Ýav the effect of shear conditions in cultures of Streptomyces clavuligerus were evaluated in conventional bioreactor equipped with RT, EEDP and EEUP impellers at 800 rpm, 0.50 vvm and 30C. Profiles of the volumetric oxygen transfer coefficient and shear rate were obtained during the cultivation. The morphological changes resulted from shear conditions imposed for the different impellers were analyzed using image analysis technique. The RT and EEDP impellers imposed the highest oxygen transfer and smaller shear to the broth, respectively. The flow pattern generated by EE impellers was crucial at the beginning of the cultivation, and is highly beneficial when EEUP impeller were used, since it presented a controlled shear throughout the cultivation. The best cultivation condition for the clavulanic acid production was obtained using the EEUP impeller, which resulted in a maximum concentration of 453 mg/L and a consistency index K= 2.5 Pa.s0.27. The results suggested that the isolated hyphae are directly related to the K of the broth and clavulanic acid production. According to the rapid fragmentation of clumps and emergence of isolated hyphae, it was concluded that the RT impeller presents shear rates higher than the EEs impellers, since the size of branched and non-branched hyphae were smaller and in greater quantities. This fact shows an advantage in the EEUP impeller use in shear sensitive microorganism cultures that requiring high levels of oxygen, without affecting the process performance. This advantage is associated with the flow pattern generated for the EEUP impeller. / Devido à natureza dos caldos de cultivo envolvendo microrganismos filamentosos aeróbios, de modo de obter adequada transferência de oxigênio e homogeneização do meio são tradicionalmente empregados biorreatores convencionais tipo tanque agitado e aerado utilizando o impelidor turbina de Rushton. Porém, esse impelidor apresenta desvantagens tais como o alto consumo de energia e elevado cisalhamento imposto ao meio, que pode provocar mudanças morfológicas irreversíveis aos microrganismos, prejudicando o rendimento dos cultivos. Na literatura especializada são indicados os impelidores denominados orelha de elefante ou Elephant Ear (EE), nas configurações de escoamento descendente (down-pumping) (EEDP) e de escoamento ascendente (up-pumping) (EEUP), como adequados para cultivos de células sensíveis ao cisalhamento. No entanto, esta caraterística nunca foi demostrada quantitativamente. No presente trabalho foram avaliados e comparados parâmetros de transferência de oxigênio e hidrodinâmicos em biorreator convencional tipo tanque agitado e aerado, equipado com impelidores como a clássica turbina de Rushton (TR) e com EE nas configurações EEDP e EEUP. Inicialmente foram obtidas equações de previsão para a quantificação da velocidade de cisalhamento média (Ýav Ýav) nos diferentes sistemas em função da frequência de agitação do impelidor e vazão especifica de ar e das propriedades reológicas de fluidos pseudoplásticos, com base em metodologia que utiliza o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio como parâmetro característico. Valores obtidos de Ýav para o impelidor TR pelas correlações obtidas ficaram dentro de uma faixa de valores estimados por correlações de literatura validando a metodologia empregada. Com base nas correlações de Ýav e nos resultados de consumo de potência, pode-se quantificar a dissipação de energia e a microescala de Kolmogorov (tamanho de micro-turbilhões). Para fluidos não-Newtonianos, os impelidores TR e EEUP geraram os menores micro-turbilhões com tamanhos nas faixas de 45,0-127,0 μm e de 80,6-123,7 μm, respectivamente, mostrando serem esses impelidores mais cisalhantes que o impelidor EEDP. Também com base nas equações de previsão de Ýav, foram avaliadas as influências das condições de transferência de oxigênio e de cisalhamento em cultivos de Streptomyces clavuligerus visando a produção de ácido clavulânico em biorreator convencional com os impelidores TR, EEDP e EEUP a 800 rpm, 0,50 vvm e 30C. A partir das amostras coletadas ao longo dos cultivos, foram obtidos perfis de kLa e de Ýav. Foram acompanhadas as mudanças morfológicas decorrentes das condições de cisalhamento impostas pelos diferentes impelidores mediante a técnica de análise de imagens. Os impelidores TR e EEDP impuseram, respectivamente, maiores e menores transferências de oxigênio e condições de cisalhamento ao caldo. A eficiência do padrão de escoamento gerado pelos impelidores EEs foi crucial nas primeiras horas do cultivo, sendo altamente benéfico quando utilizado o impelidor EEUP, o qual apresenta um cisalhamento controlado ao longo do cultivo. A melhor condição de cultivo em função da produção de ácido clavulânico foi obtida utilizando o impelidor EEUP obtendo uma produção máxima de 453 mg/L e índice de consistência K=2,5 Pa.s0,27. Os resultados sugerem que a quantidade de hifas isoladas está diretamente relacionada com o K do caldo e a produção de ácido clavulânico. De acordo com a rápida fragmentação de clumps e surgimento de hifas isoladas, conclui-se que o impelidor TR cisalha mais que os impelidores EE, isto é, pelos tamanhos das hifas ramificadas e não ramificadas que foram geradas em maiores quantidades e em menores dimensões. Tal fato mostra uma vantagem no uso do impelidor EEUP em cultivos de microrganismos sensíveis ao cisalhamento, e que necessitam de níveis superiores de oxigenação, não prejudicando o desempenho do processo. Estes resultados sugerem essa vantagem está associada ao padrão de escoamento imposto pelo impelidor EEUP.