Produção de amilases de Rhizopus microsporus var. oligosporus e hidrólise enzimática do bagaço de mandioca visando a produção de etanol por Saccharomyces cerevisiae

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Produção e caracterização parcial da xilanase produzida por Aspergillus sp

As xilanases são enzimas que hidrolisam as ligações 1,4-β-xilosídicas da xilana e que possuem potencial biotecnológico em vários processos industriais, como na clarificação de sucos e vinhos, na fabricação de pães, na produção de biocombustíveis e no tratamento das polpas celulósicas. Além disso, os produtos de hidrólise da xilana, xilooligossacarídeos, podem ser utilizados como ingredientes prebióticos, ou seja, ingredientes nutricionais não digeríveis que estimulam seletivamente a proliferação e a atividade de bactérias benéficas do cólon. O uso de enzimas microbianas nas indústrias se dá devido às suas diversas vantagens sobre os métodos químicos e à facilidade de obtenção do microrganismo. Assim, os objetivos deste trabalho foram: produzir e caracterizar parcialmente a xilanase de Aspergillus sp isolado de pó de café utilizado, purificar parcialmente a enzima produzida e analisar os produtos de hidrólise da xilana. O Aspergillus sp mostrou-se bom produtor de xilanase quando o pó de sabugo de milho foi utilizado como fonte de carbono e a xilanase produzida apresentou melhor atividade específica quando o período de cultivo foi de 168 horas. Os processos de precipitação de proteínas e diálise promoveram o aumento da atividade específica do extrato. A xilanase de Aspergillus sp apresentou pH e temperatura de máxima atividade semelhantes aos de produzidas por Aspergillus niger isolados de outras fontes. A hidrólise da xilana produziu xilose e xilooligossacarídeos. Além da xilanase, o fungo revelou ser produtor de outras proteínas que podem ser estudadas em pesquisas futuras.

Produção de amilases de Rhizopus microsporus var. oligosporus e hidrólise enzimática do bagaço de mandioca visando a produção de etanol por Saccharomyces cerevisiae

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Produção e caracterização parcial da xilanase produzida por Aspergillus sp

As xilanases são enzimas que hidrolisam as ligações 1,4-β-xilosídicas da xilana e que possuem potencial biotecnológico em vários processos industriais, como na clarificação de sucos e vinhos, na fabricação de pães, na produção de biocombustíveis e no tratamento das polpas celulósicas. Além disso, os produtos de hidrólise da xilana, xilooligossacarídeos, podem ser utilizados como ingredientes prebióticos, ou seja, ingredientes nutricionais não digeríveis que estimulam seletivamente a proliferação e a atividade de bactérias benéficas do cólon. O uso de enzimas microbianas nas indústrias se dá devido às suas diversas vantagens sobre os métodos químicos e à facilidade de obtenção do microrganismo. Assim, os objetivos deste trabalho foram: produzir e caracterizar parcialmente a xilanase de Aspergillus sp isolado de pó de café utilizado, purificar parcialmente a enzima produzida e analisar os produtos de hidrólise da xilana. O Aspergillus sp mostrou-se bom produtor de xilanase quando o pó de sabugo de milho foi utilizado como fonte de carbono e a xilanase produzida apresentou melhor atividade específica quando o período de cultivo foi de 168 horas. Os processos de precipitação de proteínas e diálise promoveram o aumento da atividade específica do extrato. A xilanase de Aspergillus sp apresentou pH e temperatura de máxima atividade semelhantes aos de produzidas por Aspergillus niger isolados de outras fontes. A hidrólise da xilana produziu xilose e xilooligossacarídeos. Além da xilanase, o fungo revelou ser produtor de outras proteínas que podem ser estudadas em pesquisas futuras.

Fisiologia e formação de partículas lipídicas durante o crescimento da levedura Yarrowia lipolytica IMUFRJ 50682.

A levedura Yarrowia lipolytica tem sido muito investigada, especialmente por ser um microrganismo oleaginoso, ou seja, capaz de acumular grandes quantidades de lipídios, o que ocorre majoritariamente em organelas denominadas partículas lipídicas. Estes lipídios apresentam várias potenciais aplicações biotecnológicas, como por exemplo na produção de óleo microbiano (single cell oil) e na produção de biodiesel. Durante este projeto de mestrado, objetivou-se estudar a fisiologia de duas linhagens da levedura Y. lipolytica, sendo uma tradicionalmente estudada pela comunidade científica internacional (linhagem w29) e outra isolada da Baía da Guanabara, no Rio de Janeiro (linhagem IMUFRJ 50682). Foram realizados cultivos em frascos agitados tipo Erlenmeyer com defletores tampados com algodão (volume total 500 mL, volume de meio 100 mL, 28 oC e 200 rotações por minuto), durante os quais foi possível: 1) escolher um meio de cultivo de composição totalmente definida, com tiamina como único fator de crescimento, adequado a estudos de fisiologia quantitativa com esta levedura; 2) verificar que Y. lipolytica não é capaz de crescer com sacarose ou xilose como única fonte de carbono; 3) verificar que Y. lipolytica cresce com velocidade específica de crescimento máxima (Máx) de 0,49 h-1 num meio complexo contendo glicose, extrato de levedura e peptona (meio YPD), 0,31 h-1 em meio definido com glicose como única fonte de carbono e 0,35 h-1 no mesmo meio, mas com glicerol como única fonte de carbono, sem excreção de metabólitos para o meio de cultivo; 4) verificar que ocorreu limitação por oxigênio nos cultivos em frasco agitado, sendo este o motivo pelo qual as células deixaram de crescer exponencialmente; 5) verificar que o uso de ureia, em vez de sulfato de amônio, como fonte de nitrogênio, contribui para uma variação menor do pH durante os cultivos, sem prejuízo ao crescimento da levedura; 6) observar que, ao se restringir a oferta de nitrogênio à levedura (aumento da relação C/N inicial no meio de 12,6 para 126), as células têm sua morfologia alterada e apresentam maior quantidade de partículas lipídicas; 7) determinar uma composição elementar para a biomassa de Y. lipolytica (CH1,98O0,58N0,13), em que os átomos de carbono encontram-se em média mais reduzidos do que na biomassa de leveduras como Saccharomyces cerevisiae e Dekkera bruxellensis. Foram também realizados cultivos em biorreator em batelada (1 L de volume útil, 28 oC, aerobiose plena e pH controlado em 5,0), durante os quais foi possível: a) estabelecer um protocolo de cultivo para Y. lipolytica em biorreator (que envolvem agitação mecânica, aeração e uso de anti-espumante, entre outras diferenças em relação aos cultivos em frasco); b) confirmar os valores dos principais parâmetros fisiológicos apresentados por esta levedura, anteriormente obtidos a partir de cultivos em frasco; c) confirmar que o fator de conversão de substrato a células (Yx/s) é maior para cultivos realizados com glicerol como fonte única de carbono (0,53 g/g para a linhagem IMUFRJ 50682), do que com glicose (0,48 g/g para a mesma linhagem). Finalmente, cultivos realizados em quimiostato com glicerol como fonte de carbono e energia, limitados por amônio (fonte de nitrogênio, relação C/N 126), às vazões específicas de 0,25 h-1 e 0,15 h-1, permitiram observar que o número de partículas lipídicas por célula de Y. lipolytica permaneceu em torno de 2 em ambas as situações e houve uma diminuição no teor de nitrogênio nas células quando a velocidade específica de crescimento diminuiu de 0,25 para 0,15 h-1.

Bacterias anaeróbias como fábricas celulares: produção de hidrogénio e butirato por clostridium sp.

Dissertação para obtenção do grau de Mestre no Instituto Superior de Ciências da Saúde Egas Moniz

Obtenção e identificação de grânulos de polihidroxialcanoatos (PHA) presentes em biomassa de um reator descontínuo sequencial (SBR) com tratamento de águas residuais

As implicações ambientais dos plásticos convencionais, produzidos através de combustíveis fósseis, não permitem a sua utilização de forma sustentável pela sociedade devido aos seus problemas de degradabilidade e à sua dependência de matérias-primas não renováveis. Surgem então os polihidroxialcanoatos (PHA) como uma alternativa ambientalmente sustentável, já que conseguem reproduzir grande parte das aplicações dos plásticos ditos normais, tendo as grandes vantagens de serem biodegradáveis e produzidos a partir de uma fonte de carbono renovável. Mais recentemente, de forma a tornar a produção do PHA mais sustentável, tem-se desenvolvido o conceito de associar a produção destes polímeros ao tratamento de efluentes líquidos através do processo de lamas ativadas. Apesar destas vantagens todo o processo que envolve a produção do PHA é ainda dispendioso. Esta dissertação insere-se na estratégia de tentar minorar esses custos. Uma das formas de o fazer será na otimização de técnicas de quantificação do PHA em culturas mistas. Neste trabalho o principal objetivo reside na avaliação da capacidade da metodologia de análise de imagem, acoplada a microscopia de fluorescência, como método de quantificação de PHA. Pretende-se também explorar a produção de PHA a partir da simulação de um sistema de tratamento de águas residuais implementado num reator descontínuo sequencial (SBR) em regimes cíclicos de feast/famine, aliando assim a função de tratamento de efluentes líquidos com a produção de um produto de valor acrescentado como é o PHA. Deste modo, foi montada uma instalação com um sistema de lamas ativadas num SBR cujo principal objetivo era produzir PHA. Este objetivo de produzir PHA através do regime de alimentação dinâmica aeróbia com uma alimentação com acetato como fonte de carbono, e sem controlo do pH foi conseguido, atingindo-se um máximo de concentração mássica de 0,37 mg PHA/mg SST e de concentração volumétrica de 1785 mg PHA/L. Em relação à capacidade de tratamento, comprovou-se a adequabilidade do sistema utilizado para a remoção da carga orgânica devido a uma elevada captação de nutrientes do afluente pela biomassa. Foram encontradas algumas limitações na metodologia de análise de imagem ao nível da transformação da bidimensionalidade da área projetada dos grânulos de PHA nas imagens para a sua tridimensionalidade real, na gama de concentração de PHA na qual a metodologia é válida e na amostragem relativamente curta. Contudo, foi possível comprovar a potencialidade deste método obtendo-se um R2 de 0,80 para o modelo de previsão da concentração mássica de PHA. Deste modo, pode-se concluir que esta é uma metodologia promissora para quantificar PHA em amostras de licor misto.

Produção de biopolímeros por culturas microbianas mistas selecionadas

Com a realização deste trabalho, pretendeu-se efetuar uma seleção de culturas mistas em reatores semi-descontínuos (SBR) com capacidade de acumulação de polihidroxialcanoatos (PHA). Para a seleção de culturas foram utilizados inóculos provenientes de diferentes Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) e ácidos orgânicos voláteis (AOV) como fonte de carbono. Foram testadas diferentes condições como a proveniência do inóculo, as cargas orgânicas aplicadas e a seleção de culturas utilizando soro de queijo. Verificaram-se elevadas remoções da CQO (acima de 90%) em grande parte dos ensaios realizados, apresentando uma acumulação de PHA por parte de algumas espécies de bactérias presentes. Ocorreu o aparecimento de microrganismos filamentosos com capacidade de acumulação de PHA em alguns ensaios, levando a serem testadas como culturas acumuladoras de PHA. A estabilidade das culturas mistas não foi atingida, mesmo havendo ensaios com 80 dias de operação. Efetuaram-se ensaios de acumulação de PHA em reatores descontínuos, utilizando as culturas selecionadas anteriormente em reatores SBR, com AOV provenientes da acidificação anaeróbia de diferentes resíduos (Fração Orgânica dos Resíduos Sólidos Urbanos - FORSU e Soro de Queijo). Verificou-se uma melhor acumulação por parte das culturas selecionadas com soro de queijo, na qual a quantidade de polímero acumulado triplicou.

Otimização da produção biotecnológica de lipases e correlação com a produção de biossurfactantes

As lipases e os biossurfactantes são compostos produzidos por microrganismos através de fermentações em estado sólido (FES) ou sumberso (FSm), os quais são aplicáveis nas indústrias alimentícia e farmacêutica, na bioenergia e na biorremediação, entre outras. O objetivo geral deste trabalho foi otimizar a produção de lipases através de fermentação em estado sólido e fermentação submersa. Os fungos foram selecionados quanto à habilidade de produção de lipases através de FES e FSm e aqueles que apresentaram as maiores atividades lipolíticas foram utilizados na seleção de variáveis significativas e na otimização da produção de lipases nos dois modos de cultivo. Foram empregadas técnicas seqüenciais de planejamento experimental, incluindo planejamentos fracionários, completos e a metodologia de superfície de resposta para a otimização da produção de lipases. As variáveis estudadas na FES foram o pH, o tipo de farelo como fonte de carbono, a fonte de nitrogênio, o indutor, a concentração da fonte de nitrogênio, a concentração do indutor e a cepa do fungo. Na FSm, além das variáveis estudadas na FES, estudaram-se as variáveis concentração inicial de inóculo e agitação. As enzimas produzidas foram caracterizadas quanto à temperatura e pH ótimos e quanto à estabilidade a temperatura e pH. Nas condições otimizadas de produção de lipases, foi avaliada a correlação entre a produção de lipases e bioemulsificantes. Inicialmente foram isolados 28 fungos. Os fungos Aspergillus O- 4 e Aspergillus E-6 foram selecionados como bons produtores de lipases no processo de fermentação em estado sólido e os fungos Penicillium E-3, Trichoderma E-19 e Aspergillus O-8 como bons produtores de lipases através da fermentação submersa. As condições otimizadas para a produção de lipases através de fermentação em estado sólido foram obtidas utilizando-se o fungo Aspergillus O-4, farelo de soja, 2% de nitrato de sódio, 2% de azeite de oliva e pHs inferiores a 5, obtendo-se atividades lipolíticas máximas de 57 U. As condições otimizadas para a produção de lipases na fermentação submersa foram obtidas utilizando-se o fungo Aspergillus O-8, farelo de trigo, 4,5% de extrato de levedura, 2% de óleo de soja e pH 7,15. A máxima atividade obtida durante a etapa de otimização foi 6 U. As lipases obtidas por FES apresentaram atividades máximas a 35ºC e pH 6,0, enquanto que as obtidas por FSm apresentaram ótimos a 37ºC e pH 7,2. A estabilidade térmica das lipases produzidas via FSm foi superior a das lipases obtidas via FES, com atividades residuais de 72% e 26,8% após 1h de exposição a 90ºC e 60ºC, respectivamente. As lipases obtidas via FES foram mais estáveis em pH´s alcalinos, com atividades residuais superiores a 60% após 24 h de exposição, enquanto as lipases produzidas via FSm foram mais estáveis em pH´s ácidos, com 80% de atividade residual na faixa de pH entre 3,5 e 6,5. Na fermentação submersa a correlação entre a produção de lipases e a atividade emulsificante óleo em água (O/A) e água em óleo (A/O) dos extratos foi 95,4% e 86,8%, respectivamente, obtendo-se atividades emulsificantes máximas O/A e A/O de 2,95 UE e 42,7 UE. Embora a maior produção de lipases tenha sido obtida na fermentação em estado sólido, não houve produção concomitante de biossurfactantes. Os extratos da fermentação submersa apresentaram redução da tensão superficial de 50 mN m -1 para 28 mN m -1 e atividade antimicrobiana frente ao microrganismo S. aureus ATCC 25923, com potenciais antimicrobianos de 36 a 43% nos três primeiros dias de fermentação. A fermentação submersa foi a técnica que apresentou os melhores resultados de otimização da produção de lipases, bem como de produção simultânea de biossurfactantes.

Produção de exopolissacarídeos bacterianos a partir de glicerol residual gerado na síntese de biodiesel

A busca por combustíveis alternativos, tais como os biocombustíveis, torna-se necessária devido à crescente demanda por combustíveis em todos os setores da atividade humana, sendo que quase toda energia consumida no mundo provém do petróleo, uma fonte limitada, que emite grande quantidade de gases poluentes. Devido à grande diversidade de culturas oleoginosas no país, o Brasil demonstra potencial para substituição do diesel pelo biodiesel. No processo de obtenção deste, o óleo vegetal sofre uma transesterificação, sob a ação de um catalisador básico e na presença de um álcool, formando três moléculas de ésteres metílicos ou etílicos de ácidos graxos, que constituem o biodiesel em sua essência, liberando uma molécula de glicerol, que é o coproduto mais abundante desta reação. Sendo assim, a utilização do glicerol residual é uma ótima alternativa para agregar valor à cadeia produtiva do biodiesel, minimizar os danos de um possível descarte inadequado, além de diminuir os custos do processo. Com este intuito, este trabalho propõe o uso do glicerol residual como fonte de carbono para produção de exopolissacarídeos (EPSs). Para tal, foram utilizadas linhagens de bactérias mencionadas na literatura como produtoras de EPSs de importância comercial, sendo elas: Xanthomonas campestris pv. mangiferaeindicae IBSBF 1230, Pseudomonas oleovarans NRRL B-14683, Sphingomonas capsulata NRRL B-4261 e Zymomonas mobilis NRRL B-4286. Os cultivos foram realizados em meio apropriado para cada micro-organismo, e como fontes de carbono foram testadas a sacarose, o glicerol residual e uma mistura de ambos na proporção de 1:1 m/m. Os meios foram inoculados com suspensão da bactéria em estudo, sendo avaliados parâmetros relativos ao crescimento celular e à produção de EPSs. Para X. campestris pv. mangiferaeindicae, foram determinadas algumas propriedades reológicas e térmicas dos EPSs produzidos com as diferentes fontes de carbono, bem como o índice de emulsificação com diferentes óleos vegetais. X. campestris apresentou uma concentração de EPSs em torno de 4 g.L-1 em todos os meios estudados, comportamento similar ao da bactéria P. oleovorans, diferindo apenas no meio contendo sacarose (0,8 g.L-1 ). S. capsulata apresentou uma maior concentração de EPSs em meios contendo sacarose e a mistura de sacarose com glicerol residual, em torno de 3,4 g.L-1 , e em meio contendo glicerol residual este valor caiu para 1,7 g.L-1 . Já Z. mobilis apresentou um melhor resultado em meio contendo sacarose e glicerol residual, atingindo 1,3 g.L-1 , sendo que em meio contendo somente sacarose e glicerol residual estes valores foram inferiores alcançando 0,2 e 0,7 g.L-1 , respectivamente. Quase todas as bactérias atingiram a fase estacionária em 24 h de cultivo e o pH permaneceu praticamente constante, sendo verificada uma queda mais acentuada somente para Z. mobilis. O comportamento reológico foi similar para as xantanas produzidas nos diferentes meios, entretanto a viscosidade inicial foi maior com o meio a sacarose (637 cP), seguido da mistura de sacarose com glicerol residual (279 cP) e glicerol residual (60 cP). O IE24 foi superior quando utilizado o óleo de milho, atingindo valores de 97, 72 e 64 % em sacarose, mistura de sacarose com glicerol e glicerol residual, respectivamente. Desta forma, pode-se afirmar que a mudança na fonte de carbono afeta estas propriedades.

Produção de lipídios microbianos a partir de glicerol bruto gerado na síntese de biodiesel

Diante da grande quantidade de glicerol bruto gerado na síntese do biodiesel e seu baixo valor comercial, torna-se fundamental encontrar formas alternativas para converter este substrato em produtos com valor agregado. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo avaliar diferentes leveduras oleaginosas capazes de metabolizar o glicerol bruto, gerado como coproduto na síntese de biodiesel, visando produzir biomassa como fonte de lipídios. Todos os cultivos foram realizados em frascos agitados, em condições estabelecidas de acordo com cada etapa do trabalho, sendo obtidos dados relativos ao crescimento celular e à produção de lipídios, tratados estatisticamente conforme o propósito. Lipomyces lipofer NRRL Y-1155 apresentou diferenças significativas em relação às outras leveduras oriundas de banco de cultura, atingindo 57,64% de lipídios na biomassa. Estas leveduras apresentarem perfis de ácidos graxos diferenciados, semelhantes aos dos principais óleos vegetais utilizadas na síntese de biodiesel, com predominância de ácidos graxos poli-insaturados, especialmente ácido linoleico (68,3% na levedura Rhodotorula glutinis NRRL YB-252). O ácido gama-linolênico, um ácido graxo essencial ω6, foi detectado em todas as leveduras analisadas, sendo que na biomassa de Candida cylindracea NRRL Y-17506 chegou a 23,1%. Através de um planejamento experimental Plackett-Burman, verificou-se que as variáveis concentração de extrato de levedura e de MgSO4.7H20 demonstraram maior influência na produção de lipídios por uma linhagem silvestre de Rhodotorula mucilaginosa. Para esta levedura, a partir da análise de efeitos foi possível estabelecer a seguinte condição para a produção de lipídios: 30,0 g.L-1 glicerol; 5,0 g.L-1 KH2PO4; 1,0 g.L-1 Na2HPO4; 3,0 g.L-1 MgSO4.7H2O; 1,2 g.L-1 extrato de levedura; pH inicial 4,5; temperatura 25°C. Nestas condições conseguiu-se um teor de lipídios de 59,96% e lipídios totais produzidos de 5,51 g.L-1 . Também foi possível observar aumento no teor de lipídios da biomassa ao longo do tempo de cultivo, bem como o aumento do teor relativo do ácido linoleico, que atingiu 52%. Dentre as leveduras isoladas a partir de amostras ambientais do Extremo Sul do Brasil, a levedura identificada como Cryptococcus humicola se destacou das demais, apresentando proporção de 23,5% de ácidos graxos saturados, 14,8% de ácidos graxos monoinsaturados e 54,9% de ácidos graxos poli-insaturados, destacando-se o ácido linoleico. O planejamento Plackett-Burman foi também utilizado para esta levedura, sendo que as variáveis concentração de extrato de levedura e glicerol bruto demonstraram maior influência na produção de lipídios. Posteriormente, um delineamento composto central rotacional (DCCR) foi proposto visando à otimização da produção de lipídios. Os modelos empíricos preditivos obtidos para biomassa máxima e lipídios totais permitiram estabelecer para a produção de lipídios por Cryptococcus humicola a seguinte condição otimizada: 100,0 g.L-1 glicerol; 5,0 g.L-1 KH2PO4; 1,0 g.L-1 Na2HPO4; 4,8 g.L-1 extrato de levedura; pH inicial 4,5; temperatura 25°C. Esta condição representou um incremento de cerca de 2 vezes nos lipídios totais em relação à melhor condição estabelecida pelo planejamento Plackett-Burmann e um acréscimo de cerca de 4,8 vezes em relação às condições testadas inicialmente, atingindo 37,61% de lipídios e 8,85 g.L-1 de lipídios totais. Deste modo, os propósitos de valorização de um coproduto oriundo da síntese de biodiesel, bem como a produção de um óleo com potencial para a produção de biodiesel, foram cumpridos.

Transformação direta de lamas primárias papeleiras em bioprodutos: um desafio à bioengenharia

Dissertação de Mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2014

Estratégias para o aumento do rendimento em biomassa e lípidos na levedura Rhodosporidium toruloides

Dissertação de Mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Produção de butanol a partir de glicose via processo biológico anaeróbio.

2016

Use of Bioscreen C for growth of Mucor hiemalis in different carbon and nitrogen sources

O sistema automatizado Bioscreen C foi utilizado para o crescimento de quatro linhagens de Mucor hiemalis, isoladas do solo da Estação Ecológica de Juréia-Itatins (EEJI), estado de São Paulo, em meios líquidos com uma única fonte de carbono (2%) ou de nitrogênio (1%), pH 5,0, a 25ºC, e agitação de 150rpm por 5 dias. O meio com somente uma única fonte de nitrogênio foi adicionado com 2% de glicose. As leituras de densidade óptica foram realizadas a 540nm, em intervalos de 2h, por cinco dias. Os resultados foram analisados estatisticamente com o Teste de Friedman (alfa = 5%). Os melhores crescimentos foram obtidos com as linhagens M1, M2 e M3, que atingiram o início da fase log em 60 horas de cultivo. As melhores fontes de carbono variaram de acordo com a linhagem estudada, e extrato de levedura provou ser a melhor fonte de nitrogênio para todas as linhagens. Acetato de sódio inibiu o crescimento das quatro linhagens, sendo a M3 a mais afetada. O uso do sistema automatizado foi muito conveniente para as culturas em meio liquido, sendo rápido e automático, constituindo em uma boa técnica para a determinação das condições ambientais ótimas para crescimento de fungos filamentosos.