Purificação, modelagem e simulação da adsorção de bioprodutos por troca iônica em coluna de leito expandido

A produção de proteínas através de microrganismos tornou-se uma técnica muito importante na obtenção de compostos de interesse da indústria farmacêutica e alimentícia. Extratos brutos nos quais as proteínas são obtidas são geralmente complexos, contendo sólidos e células em suspensão. Usualmente, para uso industrial destes compostos, é necessário obtê-los puros, para garantir a sua atuação sem interferência. Um método que vem recebendo destaque especialmente nos últimos 10 anos é o uso da cromatografia de troca iônica em leito expandido, que combina em uma única etapa os passos de clarificação, concentração e purificação da molécula alvo, reduzindo assim o tempo de operação e também os custos com equipamentos para realização de cada etapa em separado. Combinado a este fato, a última década também é marcada por trabalhos que tratam da modelagem matemática do processo de adsorção de proteínas em resinas. Está técnica, além de fornecer informações importantes sobre o processo de adsorção, também é de grande valia na otimização da etapa de adsorção, uma vez que permite que simulações sejam feitas, sem a necessidade de gasto de tempo e material com experimentos em bancada, especialmente se é desejado uma ampliação de escala. Dessa forma, o objetivo desta tese foi realizar a modelagem e simulação do processo de adsorção de bioprodutos em um caldo bruto na presença de células, usando inulinase e C-ficocianina como objeto de estudo e purificar C-ficocianina utilizando resina de troca iônica em leito expandido. A presente tese foi então dividida em quatro artigos. O primeiro artigo teve como objeto de estudo a enzima inulinase, e a otimização da etapa de adsorção desta enzima em resina de troca iônica Streamline SP, em leito expandido, foi feita através da modelagem matemática e simulação das curvas de ruptura em três diferentes graus de expansão (GE). As máximas eficiências foram observadas quando utilizadas maiores concentrações de inulinase (120 a 170 U/mL), e altura de leito entre 20 e 30 cm. O grau de expansão de 3,0 vezes foi considerado o melhor, uma vez que a produtividade foi consideravelmente superior. O segundo artigo apresenta o estudo das condições de adsorção de C-ficocianina em resina de troca iônica, onde foi verificado o efeito do pH e temperatura na adsorção e após construída a isoterma de adsorção. A isoterma de adsorção da C-ficocianina em resina Streamline Q XL feita em pH 7,5 e a 25°C (ambiente), apresentou um bom ajuste ao modelo de Langmuir (R=0,98) e os valores qm (capacidade máxima de adsorção) e Kd (constante de equilíbrio) estimados pela equação linearizada da isoterma, foram de 26,7 mg/mL e 0,067mg/mL. O terceiro artigo aborda a modelagem do processo de adsorção de extrato não clarificado de C-ficocianina em resina de troca iônica Streamline Q XL em coluna de leito expandido. Três curvas de ruptura foram feitas em diferentes graus de expansão (2,0, 2,5 e 3,0). A condição de adsorção de extrato bruto não clarificado de C-ficocianina que se mostrou mais vantajosa, por apresentar maior capacidade de adsorção, é quando se alimenta o extrato até atingir 10% de saturação da resina, em grau de expansão 2,0, com uma altura inicial de leito de 30 cm. O último artigo originado nesta tese foi sobre a purificação de C-ficocianina através da cromatografia de troca iônica em leito expandido. Uma vez que a adsorção já havia sido estudada no artigo 2, o artigo 4 enfoca na otimização das condições de eluição, visando obter um produto com máxima pureza e recuperação. A pureza é dada pela razão entre a absorbância a 620 nm pela absorbância a 280 nm, e dizse que quando C-ficocianina apresenta pureza superior a 0,7 ela pode ser usada em como corante em alimentos. A avaliação das curvas de contorno indicou que a faixa de trabalho deve ser em pH ao redor de 6,5 e volumes de eluição próximos a 150 mL. Tais condições combinadas a uma etapa de pré-eluição com 0,1M de NaCl, permitiu obter C-ficocianina com pureza de 2,9, concentração 3 mg/mL, e recuperação ao redor de 70%.

Valoração do efluente da indústria processadora de pescado por incorporação de nutrientes em aphanothece microscopica nägeli

Nesta tese procurou-se demonstrar a valoração do efluente do processamento de pescado por incorporação dos nutrientes em Aphanothece microscopica Nägeli a diferentes temperaturas. Para tanto o trabalho é composto de cinco artigos que objetivaram avaliar sob o ponto de vista do tratamento do efluente pela cianobactéria Aphanothece e a separação e avaliação da biomassa gerada. O primeiro artigo intitula-se “Influência da temperatura na remoção de nutrientes do efluente da indústria de pescado por Aphanothece microscopica Nägeli”, e teve por objetivo avaliar a influência da temperatura (10, 20 e 30ºC) em um sistema de tratamento pela cianobactéria Aphanothece na remoção de matéria orgânica, nitrogênio e fósforo do efluente oriundo do processamento de pescado. A análise dos resultados mostrou que a temperatura influenciou significativamente na remoção de DQO, NTK, N-NH4 + e P-PO4 -3 . Para os experimentos a 20 e 30ºC todos os limites estabelecidos para os parâmetros avaliados foram atingidos. O segundo artigo intitulado “Efeito de coagulantes no efluente da indústria da pesca visando à separação de biomassa quando tratado por cianobactéria” avaliou o efeito da concentração e pH de dois tipos de coagulantes, cloreto férrico (FeCl3) e sulfato de alumínio (Al2(SO4)3), na separação da biomassa da cianobactéria Aphanothece microscopica Nägeli cultivada em efluente da indústria da pesca, assim como a remoção de matéria orgânica e nutrientes do efluente. Os resultados indicaram que o coagulante FeCl3 foi mais eficaz na remoção de todos os parâmetros testados. No que concerne à separação da biomassa, com um número de seis lavagens foi removido cerca de 97,6% da concentração de FeCl3 adicionado inicialmente. O terceiro artigo com o título “Caracterização da biomassa de Aphanothece microscopica Nägeli gerada no efluente da indústria da pesca em diferentes temperaturas de cultivo” avaliou a composição química da biomassa da cianobactéria Aphanothece microscopica Nägeli quando desenvolvida em meio de cultivo padrão BG11 e no efluente do processamento de pescado. O quarto artigo teve como título “Influência do meio de cultivo e temperatura em compostos nitrogenados na cianobactéria Aphanothece microscopica Nägeli” objetivou avaliar o teor de compostos nitrogenados presentes na biomassa da cianobactéria Aphanothece microscopica Nägeli quando cultivada em meio padrão e no efluente da indústria da pesca nas diferentes fases de crescimento. Para o estudo da composição química e nitrogenados no efluente foram realizados experimentos nas temperaturas de 10, 20 e 30ºC. As concentrações de proteína, cinzas e pigmentos aumentaram com o aumento da temperatura. Por outro lado, foi observada uma redução do teor de lipídios e carboidratos com o aumento da temperatura. O íon amônio juntamente com os ácidos nucléicos representa uma importante fração do nitrogênio não protéico presente na biomassa da cianobactéria Aphanothece. Ficou demonstrada a influência do meio de cultivo na concentração de nitrogênio, bem como a determinação de proteína pelo método de Kjeldahl superestima a concentração protéica em cianobactérias. O quinto artigo intitulado “Produção de proteína unicelular a partir do efluente do processamento do pescado: modelagem preditiva e simulação” avaliou a produção de proteína unicelular através do cultivo da cianobactéria Aphanothece microscopica Nägeli no efluente da indústria da pesca. Os dados cinéticos de crescimento celular foram ajustados a quatro modelos matemáticos (Logístico, Gompertz, Gompertz Modificado e Baranyi). Os resultados demonstraram que o modelo Logístico foi considerado o mais adequado para descrever a formação de biomassa. A análise preditiva mostrou a possibilidade da obtenção de 1,66, 18,96 e 57,36 kg.m-3.d-1 de biomassa por volume do reator em 1000 h de processo contínuo, para as temperaturas de 10, 20 e 30ºC, respectivamente.