O ácido clavulânico (AC) é um potente inibidor de β-lactamases, sendo utilizado em associação com antibióticos β-lactâmicos. Atualmente, a purificação industrial do AC envolve, principalmente, processos de extração líquido-líquido com solventes orgânicos e etapas cromatográficas. Assim, métodos alternativos como os sistemas micelares de duas fases aquosas (SMDFA), os quais oferecem seletividade na partição de biomoléculas de acordo com sua hidrofobicidade, são de grande interesse. O presente trabalho teve como objetivo estudar a partição do AC em sistemas micelares não iônicos de duas fases aquosas, puros e com adição do sal (NH4)2SO4 ou do polímero sulfato de dextrana (Dx-S). Os estudos de estabilidade do AC mostraram que o fármaco é mais estável em pH 6,5 e temperaturas mais baixas (5 - 20 ºC). Em relação à presença dos aditivos, foi verificado que a adição do Dx-S acarretou em menor perda da estabilidade do AC quando comparado ao (NH4)2SO4, com valor residual ≥ 90% a 35 °C. Na presença dos tensoativos Triton X-114 e Triton X-100, o AC apresentou-se estável, com valor residual de aproximadamente 100%. De acordo com os ensaios de partição, o AC foi recuperado preferencialmente na fase pobre em micelas, tanto nos sistemas TX/tampão quanto TX/sal para ambos os tensoativos, com valores de coeficiente de partição (KAC) ~ 0,7 e rendimento na fase diluída (Yclavd) ~ 75%. A adição do polímero em maiores concentrações (≥ 8% p/p) proporcionou um pequeno aumento nos valores de KAC, porém com valores ainda próximos a 1 - 1,5. Portanto, os resultados demonstraram que a presença dos aditivos não influenciou suficientemente a partição do AC para a fase micelar e, desta maneira, os sistemas TX/tampão mostraram ser mais eficientes para a recuperação do ácido clavulânico na fase pobre em micelas, podendo ser empregados como etapa prévia de extração em um processo biotecnológico. / Clavulanic acid (CA) corresponds to a potent β-lactamase inhibitor that is used in association with β-lactamic antibiotics. The industrial purification of CA usually involves liquid-liquid extraction processes employing organic solvents followed by several chromatographic steps. Therefore, new purification alternatives such as aqueous two-phase micellar systems (ATPS) are of great interest. These systems can provide selectivity in biomolecule partitioning according to hydrophobicity and other molecular properties. Within this context, the main goal of this study was to investigate CA partitioning in aqueous two-phase micellar (nonionic) systems, with and without the addition of (NH4)2SO4 or dextrane sulfate (Dx-S). Stability studies performed with CA indicated that the drug is more stable at pH 6.5 and lower temperatures (5 - 20 ºC). In addition, it was demonstrated that Dx-S addition led to a lower loss of CA stability in comparisson to (NH4)2SO4, with residual values ≥ 90% at 35 °C. The drug was found to be very stable in the presence of the surfactants Triton X-114 and Triton X-100, with residual values around 100%. Regarding CA partitioning in the ATPMS, the drug partitioned preferentially to the micelle-poor phase, irrespective of the surfactante employed and of the presence of (NH4)2SO4,with partition coefficient (KAC) ~ 0.7 and yield in the poor phase (Yclavd) ~ 75%. Nonetheless, the addition of Dx-S in concentrations (≥ 8.0% p/p) resulted in a discrete increase in KAC, with values around 1 - 1.5. Therefore, the results obtained in this work demostrated that the addition of (NH4)2SO4 or Dx-S to ATPMS did not significantly influenced CA partitioning to the micelle-rich phase and, in this context, the systems investigated could be considered more eficiente for CA recovery in the micelle-poor phase, as a previous extraction step of a biotechnological process.

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 2016-06-02T19:55:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3130.pdf: 1560393 bytes, checksum: 956158589ca7612292e905d81a005f93 (MD5) Previous issue date: 2010-06-09 / Universidade Federal de Sao Carlos / Clavulanic acid is a β-lactam substance with low antibiotic activity. Nonetheless, it is an important medicine which acts as a potent β-lactamase inhibitor. These enzymes catalyze the hydrolysis of β-lactam ring of antibiotics, leaving them without antibiotic action. It is industrially produced with submerged cultures of Streptomyces clavuligerus, a filamentous bacterium. Extraction and purification studies have shown a very clear and defined course, when it comes to the stages that precede precipitation and crystallization. The extraction processes with ultrafiltration membranes, with organic solvents and extraction in aqueous two-phase systems (ATPS) have been studied whereas purification has been studied for processes which involve ion exchange. However, there are few works related to clavulanic acid aqueous two-phase system extraction and they are not conclusive. The present study proposed utilizing the aqueous two-phase system (ATPS) to purify the clavulanic acid and re-extract it with ion exchange adsorption, which might provide information for further studies on coupled processes which operate continuously. The first technique evaluated to re-extract the clavulanic acid was the separation process with membranes, and its results showed a low separation between PEG and clavulanic acid. In a second step, the ion exchange chromatography technique with Amberlite IRA-400Cl and Streamline Q XL resins was used. It was evidenced by the ion exchange chromatography that the Amberlite IRA- 400Cl resin makes the process of re-extraction of clavulanic acid from the top phase possible and that the phosphate present in the top phase makes clavulanic acid adsorption difficult for both studied resins. Addition of ethanol, in order to precipitate the phosphate salts, made the re-extraction of clavulanic acid from the ATPS top phase by Streamline Q XL resin possible. The third step of the global process was the optimization of clavulanic acid extraction using the aqueous two-phase systems. The results showed that it is possible to obtain yields around 100% and a purification factor of 1.5 times for the clavulanic acid. Another characteristic analyzed was the clavulanic acid degradation velocity in the aqueous two-phase system; it was very high at the bottom phase which was rich in phosphate salts. Trials of continuous aqueous twophase system process were performed. This process was shown to be operationally viable. The set of results acquired in this study will allow the study and implementation xxv of a continuous process for the purification of clavulanic acid utilizing the aqueous twophase system. / O ácido clavulânico é uma substância β-lactâmica com fraca atividade antibiótica, porém é um importante fármaco agindo como um potente inibidor de enzimas β- lactamase. Estas enzimas que catalisam a hidrólise do anel β-lactâmico dos antibióticos, deixando os sem ação antibiótica. O ácido clavulânico é produzido industrialmente por culturas submersas da bactéria filamentosa Streptomyces clavuligerus. Os trabalhos referentes à extração e purificação têm mostrado uma direção bastante clara e definida no sentido das etapas envolvidas que precedem à precipitação e cristalização. Na linha de extração têm sido estudados os processos com membranas de ultrafiltração, processos de extração com solventes orgânicos e extração em sistemas de duas fases aquosas (SDFA), enquanto que a purificação tem sido estudada por processos envolvendo a troca iônica. No entanto, são poucos os trabalhos relacionados com a extração do ácido clâvulanico por sistema de duas fases aquosas, não sendo estes ainda conclusivos. No presente trabalho foi proposto utilizar o SDFA para purificar o ácido clavulânico e re-extraí-lo através da adsorção por troca iônica, fornecendo subsídios para futuros estudos de processos conjugados operando de forma contínua. A primeira técnica estudada para re-extração do ácido clavulânico do SDFA foi o processo de separação com as membranas de polisulfona de microfiltração e ultrafiltração operando em escoamento tangencial, cujos resultados mostraram baixa separação entre PEG e ácido clavulânico. Numa segunda etapa utilizou-se técnica de cromatografia de troca iônica com as resinas Amberlite IRA-400Cl e Streamline Q XL. Para cromatografia de troca iônica ficou evidenciado que a resina Amberlite IRA-400Cl possibilita o processo de re-extração do ácido clavulânico da fase de topo e que o fosfato presente na fase de topo dificulta adsorção do ácido clavulânico para ambas as resinas estudadas. Adição do etanol para precipitação dos sais de fosfato possibilitou a re-extração do ácido clavulânico da fase de topo do SDFA pela resina Streamline Q XL. Como terceira etapa do processo global foi realizada a otimização da extração do ácido clavulânico através dos sistemas de duas fases aquosas, os resultados mostraram que é possível obter rendimento próximo a 100% e um fator de purificação de 1,5 vezes para o ácido clavulânico. Outro fator analisado foi a velocidade de degradação do ácido clavulânico no sistema de duas fases aquosas; esta se mostrou bastante alta na fase de fundo rica em sais de fosfato. Os ensaios do processo do sistema de duas fases aquosas contínuo foram realizados, sendo que esse processo mostrou-se operacionalmente viável. O conjunto de xxiii resultados obtidos neste trabalho permitirão o estudo e implementação de um processo contínuo para a purificação do ácido clavulânico utilizando o sistema de duas fases aquosas.

O ácido clavulânico (AC) é um potente inibidor de β-lactamases, sendo utilizado em associação com antibióticos β-lactâmicos. Atualmente, a purificação industrial do AC envolve, principalmente, processos de extração líquido-líquido com solventes orgânicos e etapas cromatográficas. Assim, métodos alternativos como os sistemas micelares de duas fases aquosas (SMDFA), os quais oferecem seletividade na partição de biomoléculas de acordo com sua hidrofobicidade, são de grande interesse. O presente trabalho teve como objetivo estudar a partição do AC em sistemas micelares não iônicos de duas fases aquosas, puros e com adição do sal (NH4)2SO4 ou do polímero sulfato de dextrana (Dx-S). Os estudos de estabilidade do AC mostraram que o fármaco é mais estável em pH 6,5 e temperaturas mais baixas (5 - 20 ºC). Em relação à presença dos aditivos, foi verificado que a adição do Dx-S acarretou em menor perda da estabilidade do AC quando comparado ao (NH4)2SO4, com valor residual ≥ 90% a 35 °C. Na presença dos tensoativos Triton X-114 e Triton X-100, o AC apresentou-se estável, com valor residual de aproximadamente 100%. De acordo com os ensaios de partição, o AC foi recuperado preferencialmente na fase pobre em micelas, tanto nos sistemas TX/tampão quanto TX/sal para ambos os tensoativos, com valores de coeficiente de partição (KAC) ~ 0,7 e rendimento na fase diluída (Yclavd) ~ 75%. A adição do polímero em maiores concentrações (≥ 8% p/p) proporcionou um pequeno aumento nos valores de KAC, porém com valores ainda próximos a 1 - 1,5. Portanto, os resultados demonstraram que a presença dos aditivos não influenciou suficientemente a partição do AC para a fase micelar e, desta maneira, os sistemas TX/tampão mostraram ser mais eficientes para a recuperação do ácido clavulânico na fase pobre em micelas, podendo ser empregados como etapa prévia de extração em um processo biotecnológico. / Clavulanic acid (CA) corresponds to a potent β-lactamase inhibitor that is used in association with β-lactamic antibiotics. The industrial purification of CA usually involves liquid-liquid extraction processes employing organic solvents followed by several chromatographic steps. Therefore, new purification alternatives such as aqueous two-phase micellar systems (ATPS) are of great interest. These systems can provide selectivity in biomolecule partitioning according to hydrophobicity and other molecular properties. Within this context, the main goal of this study was to investigate CA partitioning in aqueous two-phase micellar (nonionic) systems, with and without the addition of (NH4)2SO4 or dextrane sulfate (Dx-S). Stability studies performed with CA indicated that the drug is more stable at pH 6.5 and lower temperatures (5 - 20 ºC). In addition, it was demonstrated that Dx-S addition led to a lower loss of CA stability in comparisson to (NH4)2SO4, with residual values ≥ 90% at 35 °C. The drug was found to be very stable in the presence of the surfactants Triton X-114 and Triton X-100, with residual values around 100%. Regarding CA partitioning in the ATPMS, the drug partitioned preferentially to the micelle-poor phase, irrespective of the surfactante employed and of the presence of (NH4)2SO4,with partition coefficient (KAC) ~ 0.7 and yield in the poor phase (Yclavd) ~ 75%. Nonetheless, the addition of Dx-S in concentrations (≥ 8.0% p/p) resulted in a discrete increase in KAC, with values around 1 - 1.5. Therefore, the results obtained in this work demostrated that the addition of (NH4)2SO4 or Dx-S to ATPMS did not significantly influenced CA partitioning to the micelle-rich phase and, in this context, the systems investigated could be considered more eficiente for CA recovery in the micelle-poor phase, as a previous extraction step of a biotechnological process.