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Tipo do documento: Dissertação
Título: Imobilização de células íntegras de Aspergillus oryzae IPT-301 visando estudos biocatalíticos em reator de leito fixo para a produção de frutooligossacarídeos
Título(s) alternativo(s): Immobilization of whole cells of Aspergillus oryzae IPT-301 for biocatalytic studies in Packed Bed Reactor for the production of fructooligosaccharides
Autor: RIBEIRO, Beatriz Menossi 
Primeiro orientador: PERNA, Rafael Firmani
Primeiro coorientador: VILLALBA MORALES, Sergio Andres Villalba Morales
Primeiro membro da banca: MAIORANO, Alfredo Eduardo
Segundo membro da banca: SIPOLI, Caroline Casagrande
Resumo: Frutooligossacarídeos (FOS) são açúcares prebióticos de baixa caloria que apresentam diversos benefícios à saúde e nutrição humana. São disponibilizados comercialmente mediante produção sintética, por reação de transfrutosilação, utilizando enzimas microbianas como a frutosiltransferase (FTase, E.C.2.4.1.9) e sacarose como substrato. Dentre os microrganismos potencialmente produtores destas enzimas, destaca-se o Aspergillus oryzae IPT-301, sintetizando FTase micelial (enzima aderida às células microbianas) com elevada atividade de transfrutosilação (AT). Atualmente, a produção de FOS é conduzida em biorreatores batelada, um processo lento e oneroso. Portanto, torna-se necessário a implementação de sistemas de reação contínuos, em reatores de leito fixo (PBR), que aumentem o volume de produção de FOS e diminuam seus custos de produção. Logo, o uso de biocatalisadores na forma de células íntegras para a produção do açúcar torna-se vantajoso por exibirem suporte natural para a própria enzima. Diante disso, este trabalho teve como objetivo imobilizar, por reticulação com glutaraldeído, células íntegras de A. oryzae IPT-301 e avaliar seus efeitos biocatalíticos quando empacotadas em reator de leito fixo (PBR), visando obter elevada atividade enzimática para a produção de FOS. Inicialmente, buscou-se desenvolver o biocatalisador por meio da produção e imobilização das células íntegras microbianas e, posteriormente, implementar o processo contínuo de produção do açúcar em reator PBR, para avaliação dos efeitos biocatalíticos da biomassa imobilizada. Para o desenvolvimento do biocatalisador, investigou-se a influência das variáveis de imobilização (pH, temperatura, concentração de glutaraldeído e velocidade de agitação) na atividade AT por diferentes técnicas de planejamento experimental. A partir das melhores condições de imobilização alcançadas (pH 7,9; 25 ºC, 200 rpm e 2,1 % v v-1 de glutaraldeído), foram investigados diferentes tempos de reação (30, 45, 60, 75 e 90 min) para o processo, obtendo-se os maiores valores de AT ao se reticular a biomassa microbiana por 45 min. Os resultados obtidos mostram o desenvolvimento promissor de um biocatalisador com elevada atividade enzimática. Para a implementação das células íntegras reticuladas em reator PBR, avaliou-se a influência da altura do leito catalítico (20, 15 e 10 cm), da temperatura do meio reacional (30, 40, 50 e 60 ºC), da concentração de substrato (200, 300, 400, 473, 500 e 600 g L-1) e da vazão volumétrica (1,0, 2,0, 3,0, 4,0 e 5,0 mL min-1) nos perfis de AT. Também foram obtidos os parâmetros cinéticos mediante ajustes do modelo cinéticos aos dados experimentais e, por fim, realizados estudos de transferência de massa externa (TME) e ensaios de estabilidade operacional, na ausência e presença de corrente de reciclo, no reator PBR. Foram alcançados os melhores perfis de atividade enzimática para o reator recheado com 20 cm de leito catalítico, contendo células íntegras reticuladas com diâmetro equivalente de 2,58 ± 0,3 mm, operado a 50 ºC e alimentado com solução de sacarose de 473 g L-1, pH 5,5, a uma vazão de 1,0 mL min-1. A cinética enzimática foi melhor ajustada ao modelo de Michaelis-Menten. Observou-se ainda que a reação foi limitada pelos efeitos de TME. Os ensaios de estabilidade operacional mostraram que, ao se implementar a corrente de reciclo no reator, obteve-se um aumento de 60 % na AT relativa, cuja atividade enzimática máxima foi mantida a partir de 540 min de reação. Diante dos resultados obtidos, concluiu-se que a implementação do processo contínuo, visando a produção de FOS, mostrou-se promissora ao se alcançar perfis elevados de atividade enzimática em reator PBR recheado com células íntegras reticuladas.
Abstract: Fructooligosaccharides (FOS) are low-calorie prebiotic sugars that have several benefits to human health and nutrition. They are commercially available through synthetic production, by transfructosylation reaction, using microbial enzymes such as fructosyltransferase (FTase, E.C.2.4.1.9) and sucrose as a substrate. In the group of the microorganisms potentially producing these enzymes, Aspergillus oryzae IPT-301 stands out synthesizing mycelial FTase (enzyme attached to microbial cells) with high transfructosylation (AT) activity. Presently, the production of FOS is carried out in batch bioreactors, a slow and costly process. Therefore, it is necessary to implement continuous reaction systems, in fixed bed reactors (PBR) that increase the production volume of FOS and reduce its production costs. Consequently, the use of biocatalysts in the form of intact cells to produce sugar becomes advantageous because they exhibit natural support for the enzyme itself. For that reason, this work aimed to immobilize intact A. oryzae IPT-301 cells by crosslinking with glutaraldehyde and to evaluate their biocatalytic effects when packed in a fixed bed reactor (PBR), point to obtain high enzymatic activity to produce FOS. Firstly, we sought to develop the biocatalyst through the production and immobilization of intact microbial cells and, afterwards, implement the continuous process of sugar production in a PBR reactor, to evaluate the biocatalytic effects of the immobilized biomass. For the development of the biocatalyst, the influence of immobilization variables (pH, temperature, glutaraldehyde concentration and stirring speed) on AT activity was investigated by different experimental design techniques. From the best immobilization conditions achieved (pH 7.9; 25 ºC, 200 rpm and 2.1 % v.v-1 of glutaraldehyde), different reaction times (30, 45, 60, 75 and 90 min) were investigated, for the process, obtaining the highest values of AT when crosslinking the microbial biomass for 45 minutes. The results obtained show the promising development of a biocatalyst with high enzymatic activity. For the implementation of cross-linked intact cells in a PBR reactor, the influence of the height of the catalytic bed (20, 15 and 10 cm), the temperature of the reaction medium (30, 40, 50 and 60 ºC), the concentration of substrate (200, 300, 400, 473, 500 and 600 g L-1) and the volumetric flow rate (1.0, 2.0, 3.0, 4.0- and 5.0-mL min-1) in the AT profiles. The kinetic parameters were also obtained by adjusting the kinetic model to the experimental data and, finally, external mass transfer (TME) studies and operational stability tests were carried out, in the absence and presence of recycle current, in the PBR reactor. The best enzyme activity profiles were achieved for the reactor filled with 20 cm of catalytic bed, containing crosslinked intact cells with an equivalent diameter of 2.58 ± 0.3 mm, operated at 50 ºC and fed with sucrose solution of 473 g L -1, pH 5.5, at a flow rate of 1.0 mL min-1. Enzyme kinetics was better adjusted to the Michaelis-Menten model. It was also noted that the reaction was limited by the effects of TME. The operational stability tests showed that, by implementing the recycle current in the reactor, an increase of 60% in the relative AT was obtained, whose maximum enzymatic activity was maintained after 540 minutes of reaction. In view of the results obtained, it was concluded that the implementation of the continuous process, aiming at the production of FOS, proved to be promising in achieving high profiles of enzymatic activity in a PBR reactor filled with cross-linked intact cells.
Palavras-chave: Frutooligossacarídeos.
Frutosiltransferase.
Células íntegras.
Aspergillus oryzae.
Imobilização.
Área(s) do CNPq: ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal de Alfenas
Sigla da instituição: UNIFAL-MG
Departamento: Instituto de Ciência e Tecnologia
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Citação: RIBEIRO, Beatriz Menossi. Imobilização de células íntegras de Aspergillus oryzae IPT-301 visando estudos biocatalíticos em reator de leito fixo para a produção de frutooligossacarídeos. 2022. 88 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Alfenas, Poços de Caldas, MG, 2022.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Endereço da licença: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
URI: https://bdtd.unifal-mg.edu.br:8443/handle/tede/2053
Data de defesa: 14-Fev-2022
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