Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2455.pdf: 1413452 bytes, checksum: 0d85e80e19b01ab27cd6e9dd30beb3b9 (MD5) Previous issue date: 2009-04-02 / Financiadora de Estudos e Projetos / The industrial production of 6-APA includes: (1) cultivation of Penicillium chrysogenum; (2) extraction with organic solvents, (3) crystallization; (4) penicillin hydrolysis by immobilized penicillin acylase; (5) extraction of phenyl acetic acid (AFA); (6) precipitation of 6-APA at its isoelectric point ( pH ~ 3,6). The scientific community and industry have interest in reducing the number of process steps required for 6-APA production. In this thesis a new method for 6-APA production is presented. In this process, the simultaneous production and hydrolysis of penicillin was carried out. The 6-APA was extracted from culture broth using ionic adsorbent. To demonstrate the technical viability of the process a suitable biocatalysts to perform the hydrolysis of penicillin in the complex media has been developed. The enzymatic extract, containing PGA was partially purified by affinity adsorption on agarose-tryptophan, it was necessary to prepare the biocatalyst. The apparent purification factor obtained was 4,5 and purified PGA was immobilized on agaroseglyoxil by multipoint covalent attachment. The biocatalysts obtained show stability under conditions of sterilization and application in bioreactor. However, their mechanical stability under vigorous conditions of agitation used in stirred tank bioreactors was not satisfactory. Three strategies were used to avoid fragmentation of the biocatalyst. The first strategy was to involve the impellers with a helicoidal structure. In this system the biocatalyst was maintained under agitation in external bulk of the apparatus. In the second strategy, the biocatalyst was introduced into the bioreactor as the biomass density reached a maximum, in this case, the cultivation was carried out under constant agitation speed (300 rpm). An airlift bioreactor was used as third strategy to maintain the pellet structure. These systems were efficient in increasing medium agitation without destroying the pellets. Complete hydrolysis of penicillin (30 g / L) was obtained after five days of cultivation and extraction of 6-APA on ionic exchanger was investigated. The extraction of 6-APA by ionic interaction using chitosan modified with glutaraldehyde and arginine is a good method for recovery it. However, optimization in this method is necessary to achieve the recovery of 6-APA at satisfactory levels for the pharmaceutical industry. The new method for production of 6-APA shows that is possible to eliminate the use of organic solvents and to reduce the number of process steps. / A produção industrial de ácido 6-aminopenicilânico (6-APA) inclui etapas de cultivo de Penicillium chrysogenum, extração com solvente orgânico, cristalização, hidrólise enzimática e precipitação. O interesse industrial e científico em reduzir o número de etapas deste processo tem motivado pesquisadores a buscar processos alternativos para obtenção de 6-APA. Neste trabalho, um novo processo é apresentado para a produção de 6-APA, cujas inovações envolvem a hidrólise de penicilina durante o cultivo de P. chrysogenum, a recirculação de ácido fenilacético (AFA) e extração de 6-APA ao final do cultivo utilizando adsorvente iônico. Para atender aos requerimentos do novo processo, foi desenvolvido um biocatalisador para atuar no complexo meio de cultivo. O preparo deste biocatalisador exigiu o uso de extrato enzimático purificado e uma metodologia para purificação de penicilina G acilase (PGA) foi investigada. Um fator de purificação aparente de 4,5 vezes foi obtido e a enzima foi ligada a agarose utilizando a técnica de imobilização covalente multipontual. O biocatalisador obtido apresentou boa estabilidade química em condições de esterilização e aplicação em biorreator. Entretanto, sua estabilidade mecânica sob condições rigorosas de agitação em biorreatores tipo tanque agitado e aerado não foram satisfatórias. Para solucionar este problema três estratégias foram avaliadas: (1) utilizando-se uma peça em forma de hélice envolvendo os impelidores, (2) adicionando-se o biocatalisador ao biorreator após a concentração de células atingir seu valor máximo e utilizando velocidade de agitação constante de 300 rpm, (3) usando um biorreator tipo air lift . As três estratégias permitiram manter a integridade do biocatallisador. Hidrólise completa de penicilina (30 g/L) foi obtida em 120 h de cultivo e a extração de 6-APA em coluna de troca iônica foi estudada. O método de extração de 6-APA através de interação iônica utilizando quitosana-arginina apresentou resultados promissores, entretanto, um aperfeiçoamento do método ainda faz-se necessário para atingir a recuperação de 6-APA em níveis satisfatórios para a indústria farmacêutica. Os resultados obtidos indicam que é possível eliminar o uso de solventes orgânicos na produção de 6-APA, além disso, a redução no número de etapas torna este processo mais simples e conseqüentemente reduz o tempo de produção e custo do produto final. Portanto, o processo desenvolvido neste trabalho é promissor para a aplicação na indústria farmacêutica.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3187.pdf: 3659896 bytes, checksum: 975ac91a3eb67a4347c326de8f22bf8e (MD5) Previous issue date: 2010-03-31 / Universidade Federal de Minas Gerais / This master's thesis project aims at studying the dynamic optimization of the operation of a bench scale (up to 5L) automated, agitated and aerated bioreactor, where the semi-continuous cultivation of recombinant Pichia pastoris is run. This yeast was cloned using the PGK1 promoter, which precludes the use of methanol as inducer, expressing constitutively the enzyme penicillin G Acylase (PGA) from Bacillus megaterium. While the group of molecular biology of DEQUFSCar is working on cloning the PGA, d P. pastoris expressing the enzyme - amylase from Bacillus subtilis was cultivated. This clone, provided by prof. Fernando Torres, UnB, uses the same construction and, therefore, its kinetics of growth and production should be very similar to the PGA s. Cultivation of recombinant Pichia pastoris was performed in flasks (skaker) using standard culture medium, aiming at obtaining kinetic data, which are the starting point for the escalation to a benchtop bioreactor. Following that, tests were performed in a 5L bioreactor in batch and fed batch operation modes. With the bioreactor data , kinetic parameters of growth, to be further used in the simulations, were estimated, using a hybrid algorithm (which combines the global method Simulated Annealing, with the local one Levenberg- Marquardt). This algorithm, is implemented in Matlab and available in the software library of Ladabio (Laboratory of Development and Automation of Bioprocesses ). From these data, models of microbial growth and of production were developed, following a classic approach (unstructured, non-segregated). Computer simulations using different feeding strategies and employing these models allowed mapping the dynamics of the system. From this information, optimal control strategies were proposed to define optimal feeding profiles. Cellular concentrations of 5.4 g/L (dry weight) were reached in shaker (20h of cultivation, when glucose is exhausted), expressing 218 U/mL of -amylase, compared to 11.4 g/L (dry weight) that were achieved in cultures in a bioreactor in batch simple (10h of cultivation, when glucose is exhausted), expressing 156 U/mL of -amylase In fed-batch cultures, cell concentrations of up to 45 g/L were achieved, expressing up to 260 U/mL of - amylase, with a productivity of 5.2 U/mL/ h. In fed-batch cultures of P. pastoris expressing PGA, cell concentrations of up to 35 g/L were achieved. Enzyme activity was not detected in the culture broth due to the effect of glycosylation. Immunodetection reaction confirmed the expression of the recombinant enzyme. Four specific growth rate equations were adjusted, with different types of inhibition by one product, detected at significant levels by liquid chromatography highperformance, but not yet identified. This metabolite was added as an inhibitor in kinetic models, using the peak areas, normalized as a pseudoconcentration. The best fit to the experimental data were the Monod kinetic model with non-competitive inhibition. Typical values obtained for the maximum specific growth and glucose/ cell conversion factor in bioreactor were max=0,24 h-1 and YX/S = 0,48. Algorithm for optimal control in open loop was developed and successfully implemented, providing a robust profiles of great power, whose validation is proposed as a continuation of this work. / Este mestrado se propoe a estudar a otimizacao dinamica de biorreator automatizado, tipo tanque agitado e aerado, em escala de bancada (ate 5L), onde se processa o cultivo semi-continuo de Pichia pastoris recombinante. Essa levedura foi clonada pelo grupo do prof. Fernando Torres, da UnB, utilizando o promotor PGK1, que dispensa a utilizacao de metanol como indutor, expressando constitutivamente a enzima -amilase de Bacillus subtilis. Durante a execucao deste mestrado, a enzima penicilina G acilase (PGA) de Bacillus megaterium esta sendo clonada pelo grupo de biologia molecular do DEQ-UFSCar usando a mesma construcao e, portanto, a cinetica de crescimento e producao da PGA heterologa devera ser muito semelhante as da -amilase, utilizada como estudo de caso para otimizacao do bioprocesso. Cultivos de Pichia pastoris recombinante foram realizados em frascos agitados, utilizando meio de cultivo padrao, objetivando o levantamento de dados cineticos, ponto de partida para o escalonamento em biorreator de bancada. Posteriormente, foram realizados ensaios em biorreator de 5L, em batelada e batelada alimentada. Com os dados obtidos nos cultivos em biorreator, e utilizando algoritmo hibrido para estimativa de parametros (que combina o metodo global Simulated Annealing, com o local de Levenberg-Marquardt), implementado em MatLab e disponivel no LaDABio (Laboratorio de Desenvolvimento e Automacao de Bioprocessos), foram ajustados parametros cineticos de crescimento, para serem utilizados nas simulacoes dos cultivos em biorreator. A partir dai, foi desenvolvido modelo de crescimento microbiano e de producao, utilizando um enfoque classico (modelo nao-estruturado, nao-segregado) para descrever o sistema. Com isso, torna-se possivel realizar simulacoes em computador usando diferentes estrategias de alimentacao, para mapear a dinamica do sistema. A seguir, foram desenvolvidos algoritmos de controle otimo em malha aberta para definicao de estrategias de alimentacao. Concentracoes celulares de 5,4 g/L (massa seca) foram alcancadas em cultivos em camara rotatoria (20h de cultivo, quando se esgota a glicose), expressando 218 U/mL de -amilase, comparado com 11,4 g/L(massa seca) que foram atingidos em cultivos em biorreator em bateladas simples (10h de cultivo, quando se esgota a glicose), expressando 156 U/mL de -amilase. Em cultivos em batelada alimentada concentracoes celulares de ate 45 g/L foram atingidas, expressando ate 260 U/mL de -amilase, com uma produtividade de 5,2 U/mL/h. Em cultivo em batelada alimentada de P. pastoris expressando PGA, concentracoes celulares de ate 35 g/L foram atingidas. Nao foi detectada atividade enzimatica no caldo de cultivo devido ao efeito da glicosilacao. Reacao de imunodeteccao confirmou a expressao da enzima recombinante. Foram ajustadas quatro equacoes de velocidade especifica de crescimento, com diferentes tipos de inibicao por um produto, detectado em niveis importantes por cromatografia liquida de alto desempenho, mas ainda nao identificado. Esse metabolito foi inserido como inibidor nos modelos cineticos, utilizando as areas dos picos, normalizadas, como uma pseudoconcentracao. Os melhores ajustes aos dados experimentais foram com modelo cinetico de Monod com inibicao nao-competitiva. Valores tipicos obtidos para a velocidade especifica maxima de crescimento e de fator de conversao glicose/celula em biorreator foram max = 0,24 h-1 e YX/S = 0,48. Algoritmo de controle otimo em malha aberta foi desenvolvido e implementado com sucesso, prevendo de forma robusta perfis otimos de alimentacao, cuja validacao fica proposta como continuidade deste trabalho.