Enzymatic production of functional oligosaccharides - A review

Interest in oligosaccharide production and its general characteristics is growing. The physiological effects resulting from its ingestion make them more attractive than its sweetness, and the versatility of these carbohydrates allows their use for human and animal nutrition, pharmacology and the cosmetics industry, among others. Several microorganisms are involved in enzyme production to create oligomers with biological activity, including fructooligosaccharides, galactooligosaccharides and aminoglucanoligosaccharides. Some oligomers are currently on the market, but the search for new microorganisms producing enzymes, high-yield processes for obtaining oligosaccharides, different physiological effects, and a correlation between chemical structure and function continues.

Marine-derived fungi: diversity of enzymes and biotechnological applications

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Bioreaction and separation in batch chromatographic columns

The objective of this work has been to study the behaviour and performance of a batch chromatographic column under simultaneous bioreaction and separation conditions for several carbohydrate feedstocks. Four bioreactions were chosen, namely the hydrolysis of sucrose to glucose and fructose using the enzyme invertase, the hydrolysis of inulin to fructose and glucose using inulinase, the hydrolysis of lactose to glucose and galactose using lactase and the isomerization of glucose to fructose using glucose isomerase. The chromatographic columns employed were jacketed glass columns ranging from 1 m to 2 m long and the internal diameter ranging from 0.97 cm to 1.97 cm. The stationary phase used was a cation exchange resin (PUROLITE PCR-833) in the Ca2+ form for the hydrolysis and the Mg2+ form for the isomerization reactions. The mobile phase used was a diluted enzyme solution which was continuously pumped through the chromatographic bed. The substrate was injected at the top of the bed as a pulse. The effect of the parameters pulse size, the amount of substrate solution introduced into the system corresponding to a percentage of the total empty column volume (% TECV), pulse concentration, eluent flowrate and the enzyme activity of the eluent were investigated. For the system sucrose-invertase complete conversions of substrate were achieved for pulse sizes and pulse concentrations of up to 20% TECV and 60% w/v, respectively. Products with purity above 90% were obtained. The enzyme consumption was 45% of the amount theoretically required to produce the same amount of product as in a conventional batch reactor. A value of 27 kg sucrose/m3 resin/h for the throughput of the system was achieved. The systematic investigation of the factors affecting the performance of the batch chromatographic bioreactor-separator was carried out by employing a factorial experimental procedure. The main factors affecting the performance of the system were the flowrate and enzyme activity. For the system inulin-inulinase total conversions were also obtained for pulses sizes of up to 20 % TECV and a pulse concentration of 10 % w/v. Fructose rich fractions with 100 % purity and representing up to 99.4 % of the total fructose generated were obtained with an enzyme consumption of 32 % of the amount theoretically required to produce the same amount of product in a conventional batch reactor. The hydrolysis of lactose by lactase was studied in the glass columns and also in an SCCR-S unit adapted for batch operation, in co-operation with Dr. Shieh, a fellow researcher in the Chemical Engineering and Applied Chemistry Department at Aston University. By operating at up to 30 % w/v lactose feed concentrations complete conversions were obtained and the purities of the products generated were above 90%. An enzyme consumption of 48 % of the amount theoretically required to produce the same amount of product in a conventional batch reactor was achieved. On working with the system glucose-glucose isomerase, which is a reversible reaction, the separation obtained with the stationary phase conditioned in the magnesium form was very poor although the conversion obtained was compatible with those for conventional batch reactors. By working with a mixed pulse of enzyme and substrate, up to 82.5 % of the fructose generated with a purity of 100 % was obtained. The mathematical modelling and computer simulation of the batch chromatographic bioreaction-separation has been performed on a personal computer. A finite difference method was used to solve the partial differential equations and the simulation results showed good agreement with the experimental results.

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%.