O ácido clavulânico (AC) é um potente inibidor de β-lactamases utilizado na área médica. Métodos alternativos, econômicos e simples para sua purificação são de grande interesse. Este trabalho objetivou produzir e extrair AC de Streptomyces spp. por fermentação extrativa utilizando sistema de duas fases aquosas (SDFA) - polietileno glicol (PEG)/sais fosfato. Foi selecionado o melhor produtor de AC entre sete linhagens de Streptomyces spp. Avaliou-se a influência de cinco fatores no cultivo do melhor produtor em frascos agitados (pH, temperatura, velocidade de agitação, concentrações das fontes de nitrogênio e de carbono), utilizando planejamento experimental estatístico. Definidas as melhores condições de cultivo, foram estudadas a produção e a extração do AC em fermentação extrativa utilizando SDFA em frascos agitados e em sistema descontínuo utilizando biorreator. Em biorreator também foram realizados o estudo termodinâmico do processo de fermentação nas condições ótimas obtidas nas etapas anteriores e a determinação do coeficiente volumétrico de transferência de massa (kLa), comparando os sistemas de fermentação no meio de cultivo simples (SF) e fermentação extrativa utilizando sistema SDFA PEG/sais fosfato (SFE) sem e com crescimento microbiano. A linhagem de Streptomyces selecionada como a melhor produtora de AC foi a DAUFPE 3060, a qual apresentou a maior produção desse inibidor, 494 mg/L em 48h, em frascos agitados nas condições: pH 6,0, 32°C, 150 rpm, 5 g/L de glicerol e 20 g/L de farinha de soja. Após a etapa de otimização realizada para o estudo da temperatura e da concentração de farinha de soja, variáveis mais significativas no estudo de seleção, a temperatura e a concentração de farinha de soja ótimas, foram 32°C e 40 g/L, respectivamente, com produção de 629 mg/L de AC em 48h. O estudo termodinâmico confirmou que a temperatura de 32°C é a máxima de produção do AC; após esse valor, inicia-se, gradualmente, a degradação do AC. No estudo da determinação do coeficiente de transferência de massa, kLa, sem crescimento microbiano, observaram-se valores maiores de kLa para o SF, devido à viscosidade do PEG utilizado no SFE. A massa molar do PEG e a velocidade de agitação foram as variáveis que mais influenciaram na extração de AC no SFE em frascos agitados, apresentando comportamento semelhante em biorreator. E, finalmente, o estudo da transferência de oxigênio do SFE utilizando SDFA com crescimento microbiano foi avaliado para otimizar a produção e a extração de AC. Os resultados obtidos demonstraram que existe uma faixa ideal de velocidade de agitação e de aeração para evitar o rompimento celular e aumentar a recuperação de AC. / Clavulanic acid (CA) is a potent inhibitor of β-lactamases used in the medical field. Alternative methods, economic and simple purification are of great interest. This PhD project aims to produce and extract clavulanic acid of Streptomyces spp. By extractive fermentation using aqueous two-phase system (ATPS) - Polyethylene glycol (PEG)/phosphate salts. The best producer of clavulanic acid among seven strains of Streptomyces spp was selected. The influence of five factors in the cultivation of the best producer in flasks (pH, temperature, agitation velocity, concentrations of nitrogen and carbon sources) using statistical experimental design was evaluated. Defined the best cultivation conditions, the production and extraction of clavulanic acid by extractive fermentation using ATPS in flasks and in a batch system using a bioreactor was analyzed. In batch system using a bioreactor were also carried out the thermodynamic study of the fermentation process in optimum conditions determined in previous steps and also determined the volumetric mass transfer coefficient (kLa) comparing the fermentation systems in simple culture medium (SF) and in a extractive fermentation using aqueous two-phase system (ATPS) PEG/phosphate salts (SEF) medium with and without microbial growth. A strain of Streptomyces spp. selected as the best producer of AC was DAUFPE 3060, which showed the highest production of this inhibitor, 494 mg/L at 48h, in flasks under the conditions of pH 6.0, 32 °C, 150 rpm, 5 g/L of glycerol and 20 g/L of soybean flour. After the optimization step, the most significant variables in the study selection, temperature and concentration of soybean flour, were studied. The optimal values were 32 °C and 40 g/L of temperature and soybean flour concentration, respectively, with production of 629 mg/L of CA after 48h of cultivation. The thermodynamic study confirmed that 32 °C is the maximum temperature production of CA, after this value, starts gradually, the degradation of CA. In the study of volumetric mass transfer coefficient, kLa, without microbial growth, showed higher values of kLa for the SF, because the high viscosity of the PEG used in the SFE. The PEG molar mas and agitation velocity were the variables that most influenced the extraction of CA in flasks using a SFE, with similar behavior in a bioreactor. Finally, the study of oxygen transfer rate in SFE using ATPS with microbial growth was evaluated to optimize the production and extraction of CA. The results showed that there is an ideal range of agitation and aeration to prevent cell disruption and increase the CA recovery.

O ácido clavulânico (AC) é um potente inibidor de β-lactamases utilizado na área médica. Métodos alternativos, econômicos e simples para sua purificação são de grande interesse. Este trabalho objetivou produzir e extrair AC de Streptomyces spp. por fermentação extrativa utilizando sistema de duas fases aquosas (SDFA) - polietileno glicol (PEG)/sais fosfato. Foi selecionado o melhor produtor de AC entre sete linhagens de Streptomyces spp. Avaliou-se a influência de cinco fatores no cultivo do melhor produtor em frascos agitados (pH, temperatura, velocidade de agitação, concentrações das fontes de nitrogênio e de carbono), utilizando planejamento experimental estatístico. Definidas as melhores condições de cultivo, foram estudadas a produção e a extração do AC em fermentação extrativa utilizando SDFA em frascos agitados e em sistema descontínuo utilizando biorreator. Em biorreator também foram realizados o estudo termodinâmico do processo de fermentação nas condições ótimas obtidas nas etapas anteriores e a determinação do coeficiente volumétrico de transferência de massa (kLa), comparando os sistemas de fermentação no meio de cultivo simples (SF) e fermentação extrativa utilizando sistema SDFA PEG/sais fosfato (SFE) sem e com crescimento microbiano. A linhagem de Streptomyces selecionada como a melhor produtora de AC foi a DAUFPE 3060, a qual apresentou a maior produção desse inibidor, 494 mg/L em 48h, em frascos agitados nas condições: pH 6,0, 32°C, 150 rpm, 5 g/L de glicerol e 20 g/L de farinha de soja. Após a etapa de otimização realizada para o estudo da temperatura e da concentração de farinha de soja, variáveis mais significativas no estudo de seleção, a temperatura e a concentração de farinha de soja ótimas, foram 32°C e 40 g/L, respectivamente, com produção de 629 mg/L de AC em 48h. O estudo termodinâmico confirmou que a temperatura de 32°C é a máxima de produção do AC; após esse valor, inicia-se, gradualmente, a degradação do AC. No estudo da determinação do coeficiente de transferência de massa, kLa, sem crescimento microbiano, observaram-se valores maiores de kLa para o SF, devido à viscosidade do PEG utilizado no SFE. A massa molar do PEG e a velocidade de agitação foram as variáveis que mais influenciaram na extração de AC no SFE em frascos agitados, apresentando comportamento semelhante em biorreator. E, finalmente, o estudo da transferência de oxigênio do SFE utilizando SDFA com crescimento microbiano foi avaliado para otimizar a produção e a extração de AC. Os resultados obtidos demonstraram que existe uma faixa ideal de velocidade de agitação e de aeração para evitar o rompimento celular e aumentar a recuperação de AC. / Clavulanic acid (CA) is a potent inhibitor of β-lactamases used in the medical field. Alternative methods, economic and simple purification are of great interest. This PhD project aims to produce and extract clavulanic acid of Streptomyces spp. By extractive fermentation using aqueous two-phase system (ATPS) - Polyethylene glycol (PEG)/phosphate salts. The best producer of clavulanic acid among seven strains of Streptomyces spp was selected. The influence of five factors in the cultivation of the best producer in flasks (pH, temperature, agitation velocity, concentrations of nitrogen and carbon sources) using statistical experimental design was evaluated. Defined the best cultivation conditions, the production and extraction of clavulanic acid by extractive fermentation using ATPS in flasks and in a batch system using a bioreactor was analyzed. In batch system using a bioreactor were also carried out the thermodynamic study of the fermentation process in optimum conditions determined in previous steps and also determined the volumetric mass transfer coefficient (kLa) comparing the fermentation systems in simple culture medium (SF) and in a extractive fermentation using aqueous two-phase system (ATPS) PEG/phosphate salts (SEF) medium with and without microbial growth. A strain of Streptomyces spp. selected as the best producer of AC was DAUFPE 3060, which showed the highest production of this inhibitor, 494 mg/L at 48h, in flasks under the conditions of pH 6.0, 32 °C, 150 rpm, 5 g/L of glycerol and 20 g/L of soybean flour. After the optimization step, the most significant variables in the study selection, temperature and concentration of soybean flour, were studied. The optimal values were 32 °C and 40 g/L of temperature and soybean flour concentration, respectively, with production of 629 mg/L of CA after 48h of cultivation. The thermodynamic study confirmed that 32 °C is the maximum temperature production of CA, after this value, starts gradually, the degradation of CA. In the study of volumetric mass transfer coefficient, kLa, without microbial growth, showed higher values of kLa for the SF, because the high viscosity of the PEG used in the SFE. The PEG molar mas and agitation velocity were the variables that most influenced the extraction of CA in flasks using a SFE, with similar behavior in a bioreactor. Finally, the study of oxygen transfer rate in SFE using ATPS with microbial growth was evaluated to optimize the production and extraction of CA. The results showed that there is an ideal range of agitation and aeration to prevent cell disruption and increase the CA recovery.

Made available in DSpace on 2015-04-20T12:31:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Raimundo Felipe da Cruz Filho.pdf: 1412659 bytes, checksum: aba20cdd1aa35484f5932ead0d0bc3e7 (MD5) Previous issue date: 2013-04-18 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The fibrinolytic proteases degrade fibrin clots and therefore play an important role in the pharmaceutical industry as chemotherapeutic agents in the treatment of cardiovascular diseases. These biocatalysts were gradually discovered from plants, insects, earthworms, snakes and microorganisms (bacteria and fungi). Cardiovascular disease has been one of the leading causes of death in the world. A major cause of heart disease is the accumulation of fibrin in the arteries, causing thrombosis. According to the World Health Organization (WHO), about 17.5 million people will die of cardiovascular disease this year, and in 2030, this amount will be 23.6 million. Given the great potential of microbial biodiversity and the growing regional Amazon applicability of enzymes in the production of drugs, this research was conducted with the objective to (1) evaluate the growth of Bacillus stearothermophilus, (2) establish growth parameters associated with production of fibrinolytic proteases in submerged fermentation and (3) assess the effect of the extractive fermentation in the separation of these enzymes. In this study techniques of extractive fermentation and solid-state fermentation were employed. By submerged fermentation the following parameters were determined: Profile of growth of Bacillus stearothermophilus and the production of protease using 100 mL of the liquid medium [(g / L) 2 g KH2PO4, (NH4)2SO4 1 g, MgSO4 7H2O 0,1 g Na2HPO4 2H2O 0,9 g, yeast extract 1 g, distilled water 1000 ml] pH 7.2 supplemented with 0.5% gelatin in an 500 mL Erlenmeyer flask. The growth of the bacteria was determined at 610 nm, once every 2 hours for 36 hours. To determine the best conditions for the production of proteases were evaluated the influence of pH, stirring and temperature, age of inoculum and substrate concentration, the influence of natural sources of carbon (tapioca, arraruta and crueira), nitrogen sources and aeration. In the recovered extract was also performed a toxicity bioassay in Artemia salina and degradation tests in vitro of the blood clot by the fibrin plate method and the artificial clot degradation in tube. In addition, the partition coefficient (K), the purification factor (PF) and recovering the enzyme were determined. The solid-state fermentation was performed using as substrate 10g of manteiguinha bean [Vigna unguiculata (L.) Walp] with 60% humidity, pH 5.0 in a 250 ml Erlenmeyer flask. In extractive fermentation the best conditions were pH 5.0, 180 rpm and 25 °C in systems using PEG 1000 (g/mol-1) to 20% (w/w) and phosphate salts 15% (w/w) with K 1.05; FP 1.00; 152.54 Y. 34 mm halo in fibrin plate and partial degradation of the clot in tube. In the solid-state fermentation, the production of protease was 8.87 (U/mL), 23 mm of translucent halo in fibrin plate with total degradation of the blood clot in 24 hours. In this study, protease produced from Bacillus stearothermophilus by extractive fermentation and semi-solid fermentation was evaluated, showing in the optimum cultivation conditions that this microorganism presents physiology for industrial application in the production of the fibrinolytic protease / As proteases fibrinolíticas degradam coágulos de fibrina, por isso têm um importante papel na indústria farmacêutica como agentes quimioterapêuticos no tratamento de doenças cardiovasculares. Estes biocatalisadores foram descobertos gradualmente a partir de plantas, insetos, anelídeos, serpentes e micro-organismos (bactérias e fungos). Doenças cardiovasculares tem sido a principal causa de morte no mundo. Uma das principais causas de doenças cardíacas é o acúmulo de fibrina nas artérias, acarretando trombose. De acordo com Organização Mundial da Saúde (OMS), cerca de 17,5 milhões de pessoas morrerão este ano de doenças cardiovasculares, e em 2030, esse montante será de 23,6 milhões. Tendo em vista o grande potencial da biodiversidade microbiana regional Amazônica e a crescente aplicabilidade de enzimas na produção de medicamentos, esta pesquisa foi realizada com o objetivo de (1) avaliar o crescimento de Bacillus stearothermophilus, (2) estabelecer os parâmetros de crescimento associado a produção de proteases fibrinolíticas por fermentação submersa e (3) verifica o efeito da fermentação extrativa na separação dessas enzimas. Neste estudo foram empregados técnicas de fermentação extrativa e fermentação semi-sólida. Por fermentação submersa foram determinados os seguintes parâmetros: Perfil do crescimento de Bacillus stearothermophilus e a produção de protease utilizando 100mL do meio líquido [(g/L) KH2PO4 2g; (NH4)2SO4 1g; MgSO4 7H2O 0,1 g; Na2HPO4 2H2O 0,9 g; Extrato de Levedura 1 g; água destilada 1000mL] pH 7,2 suplementado com gelatina 0,5%, em frasco de Erlenmeyer de 500mL. O crescimento da bactéria foi determinado a 610nm, de 2 em 2 horas, durante 36 horas. Na Determinação das melhores condições para produção de proteases foram avaliados a influência do pH; agitação, temperatura, a idade do inóculo, da concentração do substrato, a influência das fontes de naturais de carbono (tapiocas, araruta e crueira), fontes de nitrogênio e aeração. No extrato recuperado foi realizado também bioensaio de toxicidade em Artemia salina e testes de degradação in vitro do coágulo sanguíneo pelos métodos da placa de fibrina e degradação do coagulo artificial em tubo. Foi determinado também o coeficiente de partição (K), o fator de purificação (FP) e a recuperação da enzima. A fermentação semi-sólida foi realizada utilizando como substrato 10g feijão manteiginha [Vigna unguiculata (L.) Walp], com 60% umidade, pH 5,0 em frasco Erlenmeyers de 250 mL. Na fermentação extrativa as melhores condições foram: pH 5,0; 180 rpm e 25 ºC, no sistemas utilizaram PEG 1000 (g/mol-1) a 20% (p/p) e sais fosfato a 15% (p/p) com K de 1,05; FP de 1,00; Y de 152,54. Halo de 34 mm na placa de fibrina e degradação parcial do coagulo em tubo. Na fermentação semi-sólida a produção de protease foi de 8,87 (U/mL), halo translucido de 23 mm em placa de fibrina com degradação total do coagulo de sangue em 24h. No presente estudo, protease de Bacillus stearothermophilus produzido em fermentação extrativa e fermentação semi-sólida foi avaliada, demonstrando nas condições ótimas de cultivo que este micro-organismo apresenta fisiologia para aplicações industriais na produção de protease fibrinolítica