Ácido lactobiônico e sorbitol têm importantes aplicações na indústria cosmética e farmacêutica. Esses produtos podem ser obtidos de forma equimolar em reações catalisadas por glicosefrutose oxidorredutase (GFOR) e glicono-δ-lactonase (GL), enzimas presentes no periplasma de Zymomonas mobilis. As reações são geralmente conduzidas com células bacterianas imobilizadas, sendo que a técnica de preparo deste biocatalisador demanda tempo, além de ser onerosa. Alternativas para a simplificação do preparo do biocatalisador imobilizado em alginato de cálcio e sua aplicação em diferentes regimes de operação e reatores foram estudadas neste trabalho, com o objetivo de aumentar o potencial de transferência dessa tecnologia para o setor industrial. Modificações na técnica de imobilização de Z. mobilis foram avaliadas quanto às concentrações do polímero e da solução de CaCl2 e do tempo de gelificação, buscando melhorar as propriedades mecânicas do gel e possibilitar sua utilização em reações repetidas. No caso, não foram observadas alterações significativas na resistência do suporte e nos parâmetros de avaliação da reação em qualquer das condições avaliadas. Assim, a técnica foi mantida na forma previamente definida: alginato de sódio, 2% (m/v); CaCl2, 0,3 mol/L; tempo de gelificação, 10 a 240 minutos. A reutilização do biocatalisador imobilizado por sete bateladas repetidas, num total de 176 horas, possibilitou a obtenção de cerca de 500 mmol/L de produtos (ácido lactobiônico e sorbitol) por ciclo, com valores médios de rendimento e de produtividade específica de 80% e 1,12 mmol/g/h. A possibilidade de supressão da permeabilização celular com brometo de cetil trimetil amônio (condição CTAB) foi demonstrada, uma vez que se constatou que a reticulação de células de Z. mobilis com glutaraldeído (condição Glu), além de inibir o metabolismo fermentativo de carboidratos como glicose ou frutose, permitiu o acúmulo dos produtos de bioconversão, sem afetar a atividade catalítica das enzimas. A atividade enzimática para a condição Glu (35 U/g de células) foi semelhante à da condição de referência CTAB (31 U/g). Adicionalmente, com o sistema imobilizado, constatou-se que o tratamento das células com glutaraldeído, normalmente feito antes da imobilização (condição Glu Imb), também pode ser suprimido, uma vez que o tratamento único das esferas do suporte (condição Branco Imb) com o agente de reticulação é suficiente para inativar o metabolismo de Z. mobilis. Os rendimentos em ácido lactobiônico e sorbitol, independentemente da condição (Glu Imb ou Branco Imb), foram da ordem de 80%, com concentrações de produto de cerca de 500 mmol/L. A estabilidade das enzimas nas reações de bioconversão manteve-se próxima à inicial após 150 dias de armazenagem. Reações de bioconversão foram conduzidas em regime descontínuo, em reator de agitação mecânica, com 20 e 30 g/L do biocatalisador imobilizado, resultando em 530 mmol/L de produtos em 24 horas. O processo foi testado, ainda, em regime descontínuo alimentado a fim de possibilitar o uso de maior massa de lactose, que não poderia ser empregada em descontínuo devido à baixa solubilidade deste carboidrato em água. Com 20 g/L de biomassa imobilizada, concentrações de produtos de 745 mmol/L foram obtidas em 42 horas, enquanto com 30 g/L foram necessárias 32 horas para atingir-se 776 mmol/L. Os resultados para as reações conduzidas em biorreator tubular com agitação pneumática, com 20 g/L de células, em regimes descontínuo e descontínuo alimentado foram muito próximos aos encontrados no sistema com agitação mecânica, demonstrando a flexibilidade do processo sob esse aspecto. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, CAPES. / Lactobionic acid and sorbitol have important applications in cosmetic and pharmaceutical industries. These products can be obtained in equimolar basis in reactions catalysed by glucose-fructose oxidoreductase (GFOR) and glucono-δ-lactonase (GL), enzymes that are present in the periplasm of Zymomonas mobilis. The reactions are usually conducted with immobilized bacterial cells, the preparation technique of this biocatalyst being time demanding and expensive. Some alternatives for the simplification of the preparation of calcium alginate-immobilized biocatalyst and its application in different operation modes and types of bioreactors were studied in this work, with the aim of increasing the potential of this technology to be transferred to the industrial sector. Modifications in the technique of Z. mobilis immobilization were evaluated regarding the concentrations of sodium alginate and CaCl2 solution and the time of gelification, as an attempt to improve the mechanical properties of the gel and to allow its use in repeated reactions. In this case, no significant changes in both the support resistance and the reaction evaluation parameters were observed for any condition assessed. As such, the technique remained as previously defined: sodium alginate, 2% (w/v); CaCl2, 0.3 mol/L; gelification time, from 10 to 240 minutes. The reuse of the immobilized biocatalyst for seven consecutive batches, totalling 176 hours of reaction, allowed the attainment of products (lactobionic acid and sorbitol) concentrations of about 500 mmol/L, with approximately 80% of yield and 1.12 mmol/g/h of specific productivity. The possibility of suppression of the cell permeabilization with cetyl trimethyl ammonium bromide (CTAB condition) was demonstrated, since the crosslink of Z. mobilis with glutaraldehyde (Glu condition), besides inhibiting the fermentative metabolism of carbohydrates such as glucose or fructose, allowed the bioconversion products accumulation, without affecting the catalytic activity of the enzymes. The activity of GFOR/GL for the Glu condition (35 U/g of cell) was similar to the reference condition CTAB (31 U/g). Additionally, for the immobilized process, it was found that the cell treatment with glutaraldehyde, that is usually done before immobilization (Glu Imb condition), can also be suppressed because the sole treatment of the support beads with the crosslink agent (White Imb Condition) is enough to inactivate Z. mobilis metabolism. The yields in lactobionic acid and sorbitol, independently of the condition (Glu Imb or White Imb), were about 80%, with products concentrations nearly to 500 mmol/L. The enzymes stability remained stable after 150 days of storage. Bioconversion reactions were carried out in batch mode in a mechanically stirred reactor, with 20 and 30 g/L of the immobilized biocatalyst, resulting in 530 mmol/L of products after 24 h. The process was also tested in fed-batch mode with the purpose of allowing the use of a larger mass of lactose, which could not be employed in batch because of the relatively low solubility of this carbohydrate in water. With 20 g/L of immobilized biomass, product concentrations of 745 mmol/L were obtained in 42 h, whereas with 30 g/L 32 h were needed to reach 776 mmol/L. The results for the reactions conducted in pneumatic-agitated tubular bioreactor with 20 g/L of cells, in batch and fed-batch modes, were very close to those found in the system with mechanical agitation, evidencing the flexibility of the process under this aspect
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ucs.br:11338/2807 |
| Date | 19 May 2017 |
| Creators | Folle, Analia Borges |
| Contributors | Erzinger, Gilmar Sidnei, Silva, Thiago Barcellos da, Dillon, Aldo José Pinheiro, Silveira, Maurício Moura da |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UCS, instname:Universidade de Caxias do Sul, instacron:UCS |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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