Panossyöttökasvatusprosessin automatisointi

Tutkimuskäyttöön tarkoitettujen rekombinanttiproteiinien tuottaminen fermentoimalla on yleinen menetelmä bioteollisuudessa. Mikrobit kasvatetaan fermentorissa, joka tarjoaa kontrolloidun kasvuympäristön ja sopivat tuotto-olosuhteet halutulle tuotteelle. Eräs fermentointimuodoista on korkeatuottoinen ja pitkäkestoinen panossyöttökasvatus, jossa saavutetaan panoskavatusta merkittävästi korkeampi solutiheys jatkamalla panosvaiheen jälkeen kasvua rajoittavan substraatin syöttöä. Laboratoriomittakaavassa fermentorikasvatusten tilavuudet vaihtelevat litrasta kymmeniin ja niissä kasvatusta seurataan sekä ohjataan joko fermentorista tai tietokoneesta. Tyypillisessä fermentointiprosessissa operaattori tarkkailee muun muassa vaahdonkorkeutta sekä käynnistää pumppuja olosuhteiden muuttuessa. Tällaiset tehtävät ovat teollisen mittakaavan laitteistoissa usein automatisoituja. Diplomityön tarkoituksena oli päivittää kahden Turun yliopiston biotekniikan laboratoriossa sijaitsevan BioFlo® -sarjan pöytäfermentorin MS-DOS -pohjainen tietokoneohjausohjelma nykyaikaiseksi ja lisätä siihen etäseuranta ja -ohjaus. Ohjelmaan oli tarkoitus liittää erillinen optinen solutiheysanturi, jonka lukemien häiriötä haluttiin myös vähentää signaalinkäsittelyllä. Lisäksi vaahdonestoaineen ja indusorin lisäykset haluttiin automatisoida panossyöttökasvatuksessa. Vaahdonkorkeuden havaitsemisen mahdollisuutta konenäön menetelmin haluttiin selvittää, jotta vaahdonestoaineen automaattiset lisäykset voitaisiin toteuttaa nettikameran syötteen perusteella. Koekasvatuksilla osoitettiin päivitetyn ohjausohjelman toimivan panos- ja panossyöttömuodoilla. Uuden käyttöliittymän avulla pystyttiin automatisoimaan panoskasvatuksen lisäykset ja syöttönopeuden muutokset sekä tunnistamaan kasvatusliuosten vaahdonkorkeutta vaahdonestoaineen lisäykseen riittävällä kahden senttimetrin tarkkuudella. Lisäksi käyttöliittymä mahdollisti kasvatuksen ohjauksen ja seurauksen myös etänä. Työssä kehitetty ohjausohjelma julkaistiin avoimena ohjelmana ilman etä- ja nettikameratoimintoja. Ohjelma toimii hyvin BioFlo® -sarjan fermentorien käyttöliittymänä, mutta avoimen lähdekoodin ansiosta kuka tahansa voi hyödyntää ohjelmaa pohjana myös uusissa projekteissa tai muissa fermentorimalleissa.

Bioremediation of piggery effluents using Scenedesmus Obliquus microalga [Resumo]

Effluents from intensive pig farms present high nutrient concentration, mainly ammonium, contributing to water eutrophication and pollution. Microalgae ability to deplete inorganic nutrients makes them an efficient effluent bioremediation tool. Scenedesmus obliquus was grown in piggery effluent (without any pretreatment) diluted with tap water at 5%v/v (187±25mg/L N-NH4+) and compared with growth in synthetic Bristol media. A 21-days trial was performed in 1L bubble-column reactors illuminated by fluorescent and LED lamps(3klux). Microalgae growth was monitored through OD540nm, dry weight and Chlorophyll content and also by flow cytometry in terms of autofluorescence read in FL3 channel (>670 nm), cell size (FSC), internal complexity (SSC) and cell membrane integrity (PI). S. obliquus cells have grown slower in pig effluent (mmax=0.13-19d-1) than in Bristol media (mmax=0.46-0.50d-1) although after 15 days the biomass productivity observed for the pig waste cultivation, operated under LED (0.127gL-1d-1) was similar to those attained for the Bristol media after 8 and 12 days (0.130 and 0.129 gL-1d-1 using Fluorescent and LED lights, respectively). The Chlorophyll content was correlated to FL3 autofluorescence, with R2>0.97 for Bristol and R2>0.92 for pig waste cultures. Regarding cell size and complexity, Bristol cultures did not show significant differences along time, while cells grown on pig waste increased, attaining FSC and SSC values similar to those observed for Bristol cultures. However, pig waste led to higher percentage of cells with permeabilised membrane (up to 18%) than Bristol cultures (7%). For pig waste experiments, ammonium removal rates were 95% with final values within legal limits. S. obliquus cultivations proved to be an efficient system for direct piggery effluent bioremediation, attaining biomass productivities similar to those obtained in synthetic media. Using LED lighting enables to reduce the energy consumption while maintaining microalgae growth and bioremediation performance. Scale-up to an outdoor 150L photobioreactor is underway.

Recuperação de carotenóides microbianos por diferentes técnicas de ruptura celular

O objetivo deste trabalho foi utilizar diferentes técnicas químicas (dimetilsulfóxido, ácido clorídrico, acético e lático), técnicas mecânicas (banho ultrassônico, abrasão com pérolas de vidro, maceração com terra diatomácea, ruptor ultrassônico e imersão em nitrogênio líquido) e técnica enzimática (preparado enzimático comercial Glucanex®) para a recuperação de carotenoides a partir da ruptura da parede celular das leveduras Sporidiobolus pararoseus e Rhodotorula mucilaginosa isoladas de amostras ambientais. Para isso a obtenção de biomassa foi realizada através de cultivos submersos no meio YM, a 25 °C, 180 rpm por 168 h. Para a ruptura celular, a operação de congelamento da biomassa (-18°C por 48 h) foi estudada. Os métodos de secagem convencional por ar forçado (35°C/48h) e liofilização (-80°C/48h, em ultrafreezer, seguido de liofilizador até alcançar 2% de umidade da amostra) também foram avaliados. Nas técnicas químicas aplicadas, o dimetilsulfóxido apresentou os melhores resultados para as duas leveduras, porém o seu uso é limitado devido a sua toxicidade. Para S. pararoseus, os maiores valores encontrados foram para o ácido clorídrico, seguido do acético e do lático, sendo detectada diferença entre eles quando aplicado o congelamento. Com R. mucilaginosa, os maiores valores foram encontrados para os ácidos acético e lático, seguido do ácido clorídrico, no qual o congelamento da biomassa também não influenciou a recuperação dos carotenoides. Dentre as técnicas mecânicas estudadas, para a levedura S. pararoseus, o banho ultrassônico e a abrasão com pérolas de vidro apresentaram os resultados mais promissores comparados ao DMSO (84,79±2,34 e 76,87±2,06 μg/g respectivamente), onde o processo de congelamento da biomassa não influenciou positivamente no percentual de extratibilidade e na concentração específica dos carotenoides quando utilizada estas técnicas. Com Rhodotorula mucilaginosa, o banho ultrassônico propiciou a recuperação da maior concentração específica de carotenoides (193,5±25,8 μg/g), sendo que o processo de congelamento também não influenciou positivamente no percentual de extratibilidade e na concentração específica dos carotenoides. Através do Delineamento Central Composto Rotacional (DCCR) 23 foi possível avaliar que a levedura S. pararoseus não demonstrou nenhum efeito sob as variáveis pH, temperatura e concentração de enzima. Assim, a melhor condição de trabalho escolhida foi pH 7,4, 30 ºC e concentração de enzima de 1,0 g/gcs, onde apresentou a concentração específica de 42,6 μg/g e volumétrica de 308 μg/L de carotenoides. Para R. mucilaginosa, a condição ótima foi definida como 1,0 g/gcs, pH 5,0 e temperatura de 30 ºC, onde foi encontrado 115,1±8,1 μg/g e 470,1±38,8 μg/L para a concentração específica e volumétrica de carotenoides, respectivamente. A utilização de técnicas combinadas empregando banho ultrassônico e lise enzimática não proporcionou melhorias nos resultados para ambas as leveduras. A liofilização provocou um ganho de 20% e 13,7% na concentração específica dos carotenoides das leveduras S. pararoseus e R. mucilaginosa, respectivamente, onde o congelamento da biomassa não influenciou significativamente (p<0,05) a recuperação de carotenoides provenientes das duas leveduras, podendo ser eliminada do processo. Assim, para S. pararoseus o banho ultrassônico e as pérolas de vidro apresentaram os melhores resultados na recuperação de carotenoides, e para R. mucilaginosa o melhor resultado foi alcançado com o banho ultrassônico.

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.

Avaliação do potencial da macrófita Pistia stratiotes na exposição de íon cromo (VI): biossorção e tolerância

The environmental pollution caused by industries has increased the concentration of pollutants in the environment, especially in water. Among the most diverse contaminants, there is the metals, who may or may not to be heavy/toxic, causing effluent of difficult treatment when in low concentrations. The search for alternative measures of wastewater effluent treatment has led to studies using phytoremediation technique through the various matrices (plant, fungi, bacteria) as means of polishing treatment to remove contaminants by means of biosorption/bioaccumulation. In order to use the phytoremediation technique for removing metals of the environmental, it have been performed bioassay with the macrophyte Pistia stratiotes. The bioassays were realized with healthy plants of P. stratiotes acclimatized in a greenhouse, at room temperature and lighting conditions during 28 days of cultivate. The cultivations were performed in glass vessels containing 1 L of the hydroponic solution with chromium (VI) in the potassium dichromate form with concentration range 0.10 to 4.90 mg L-1. The experiments were performed by Outlining Central Composite Rotational (OCCR), where the kinetics of bioaccumulation and chlorophyll a fluorescence were monitored in plants of P. stratiotes during cultivation. The collections of the samples and cultive solution were performed according to the OCCR. The chromium levels were measured in samples of P. stratiotes and the remaining solutions by the methodology of atomic absorption spectrometry by flame. The tolerance of P. stratiotes in relation to exposure to chromium (VI) was analyzed by parameters of physiological activity by means of chlorophyll a fluorescence, using the portable fluorometer PAM (Pulse Amplitude Modulation). The development of P. stratiots and their biomass were related to the time factor, while bioaccumulation capacities were strongly influenced by factors of time and chromium concentration (VI). The chlorophyll fluorescence parameters were affected by chromium and the exposure time at the bioassays. It was obtained an higher metal removal from the root in relation to the sheet, reaching a high rate of metal removal in solution. The experimental data removal kinetics were represented by kinetic models Irreversibly Langmuir, Reversible Langmuir, Pseudo-first Order and Pseudo-second Order, and the best fit for the culture solution was the Reversible Langmuir model with R² 0.993 and for the plant the best model was Pseudo-second order with R² 0.760.

Produção e extração da enzima anidrase carbônica e de ficobiliproteínas a partir de microalgas

Muito interesse tem sido focado no potencial biotecnológico das microalgas, principalmente devido à identificação de diversas substâncias sintetizadas por estes organismos, dentre elas a anidrase carbônica e as ficobiliproteínas. A anidrase carbônica é uma metaloenzima que catalisa a hidratação reversível do CO2 em bicarbonato com alta eficiência, sendo utilizada para captação de CO2 através de sistemas biológicos. A C-ficocianina e a aloficocianina, corantes naturais, são os dois principais componentes das ficobiliproteínas em cianobactérias e apresentam diversas aplicações dentro da indústria alimentícia, cosmética e farmacêutica. O objetivo principal desta tese foi avaliar a produção e a extração da anidrase carbônica e das ficobiliproteínas a partir de diferentes microalgas. Para isso, primeiramente foi realizado uma investigação da produção da anidrase carbônica pela microalga Dunaliella tertiolecta, onde foi estudada a extração da enzima e sua aplicação em sistemas de captura enzimática de CO2. Posteriormente foi avaliada a produção da enzima ao longo do cultivo de diferentes microalgas marinhas e dulcícolas (Dunaliella tertiolecta, Tetraselmis sueccica, Phaeodactylum tricornutum, Nannochloropsis oculata, Isochysis galbana, Chlorella vulgaris e Scenedesmus obliquus). A produção da enzima e de ficobiliproteínas, também, foi estudada para as cianobactérias Spirulina platensis LEB 52, Spirulina sp. LEB 18 e Synechococcus nidulans. Todos os cultivos foram acompanhados em termos de biomassa e pH. Por último, foi realizado um estudo de extração da enzima de P. tricornutum e extração conjunta da anidrase carbônica e de ficobiliproteínas da cianobactéria S. sp. LEB 18. Os cultivos foram realizados em frascos erlenmeyer contendo os meios Conway (marinhas), BG-11 (dulcícolas) e Zarrouk 20% (cianobactérias). Na avaliação da ruptura celular foram testadas as técnicas de maceração em gral e pistilo, agitação em vórtex com pérolas de vidro, sonicação com pérolas de vidro, homogeneizador ultrassônico, secagem, congelamento e descongelamento e a combinação de tratamentos. Maiores rendimentos de extração da enzima a partir da microalga D. tertiolecta foram obtidos utilizando tratamento ultrassônico, juntamente com baixas concentrações de biomassa úmida (0,1 e 0,2 g/L), e a mesma apresentou potencial para aplicação em processos de captação enzimática do CO2. Durante os cultivos, a microalga C. vulgaris se destacou como maior produtora da enzima anidrase carbônica, atingindo valores de atividade enzimática de 44,0 U/L. As cianobactérias apresentaram valores de atividade entre 41,6 e 45,9 U/L, sendo que a S. sp. LEB 18 foi a que apresentou maiores produções de C-ficocianina e aloficocianina no ponto de máxima atividade volumétrica, 65,9 e 82,2 µg/mL, respectivamente. A enzima extraída da biomassa de S. platensis LEB 52 catalisou a hidratação do CO2 que precipitou na forma de CaCO3. Maiores rendimentos de extração da enzima a partir das microalgas P. tricornutum e S. sp. LEB 18 foram obtidos utilizando homogeneizador ultrassônico, que foram 31,3 U/g e 25,5 U/g, respectivamente. A biomassa de S. sp. LEB 18, também apresentou potencial para a extração de ficobiliproteínas, obtendo- se altas concentrações de C-ficocianina (100,5 mg/g) e aloficocianina (69,9 mg/g). Através dos resultados obtidos, pode-se verificar a potencialidade das microalgas e das cianobactérias para produção da enzima anidrase carbônica e das ficobiliproteínas, biomoléculas de alto valor industrial. Este trabalho apresenta processos eficientes para a extração da enzima e de ficobiliproteínas tanto para escala laboratorial como industrial.

Dinâmica do fósforo em cultivo heterotrófico e produção de compostos celulares por cianobactéria integrado a biorrefinarias agroindustriais

O objetivo desta tese foi avaliar a dinâmica do fósforo em cultivo heterotrófico e produção de compostos celulares por Aphanothece microscopica Nägeli visando avaliar a perspectiva de implementação de uma biorrefinaria microalgal. Desta forma, foi avaliado o comportamento do micro-organismo em estudo no cultivo heterotrófico, utilizando como meio de cultivo o efluente de laticínios. O trabalho foi desenvolvido em 3 etapas. Em um primeiro momento foi avaliada a influência da temperatura (20 e 30°C) e os valores máximos e mínimos de nutrientes, em especial do fósforo dissolvido reativo (PDR), disponíveis no efluente de laticínio, na remoção de nutrientes. Os resultados demonstraram que a concentração inicial de fósforo dissolvido e a temperatura exerceram influência no crescimento celular e na eficiência de remoção de nutrientes. Em termos de otimização de processo os cultivos conduzidos a 20°C e maiores concentrações de PDR (5,5 mg.L-1 ) no efluente de laticínio, foram os mais eficientes na conversão de poluentes em biomassa e remoção de nutrientes. A segunda etapa foi desenvolvida com o objetivo de avaliar a dinâmica de distribuição de fósforo na fase líquida e sólida do reator heterotrófico, quando o efluente de laticínio foi tratado pela Aphanothece microscopica Nägeli, a 20°C e nas máximas concentrações de fósforo dissolvido encontradas no efluente. Foi demonstrado que as formas fosforadas na fase líquida do reator se caracterizam pela predominância da fração dissolvida em comparação à particulada e por apresentar como fração predominante a de fósforo orgânico. No que se refere à fase sólida, ficou demonstrado que a Aphanothece microscopica Nägeli, quando cultivada heterotroficamente apresenta 3,8 vezes mais fósforo que o requerido para o crescimento celular. Ficando demonstrado ainda que a remoção biológica de fósforo por Aphanothece microscopica Nägeli pode resultar em substanciais aportes financeiros para as estações de tratamento de efluentes. Uma terceira etapa foi desenvolvida, a qual teve como objetivo avaliar a estimativa de produção de compostos celulares por Aphanothece microscopica Nägeli, a partir do efluente de laticínio, bem como o efeito da redução de temperatura de cultivo no teor de lipídios , no momento em que é obtida a máxima concentração deste componente celular, nas condições otimizadas.Foi obtido na fase logarítmica de crescimento, concentrações de 41,8 % de proteinas, carboidratos 28,5 %, lipídios 10,4 % e minerais 10,8 %. O maior teor de lipídio registrado a 20°C correspondeu a biomassa analisada na fase logarítmica.Com a redução da temperatura para 5°C por um período de 30 h é possível obter concentrações de lipídios 2,4 vezes superior ao registrado na fase logarítmica a 20 °C. No entanto, não foram indicadas diferenças significativas (p≤0,05) em função da temperatura entre as concentrações de lipídios obtidas para a biomassa a 10°C em 40 h. O perfil de ácidos graxos da biomassa gerada a 20°C, apresentou como ácidos graxos majoritários, os ácidos graxos: palmítico, oléico, γ-linolênico, palmitoleico e esteárico, resultando um aumento na concentração de ácidos graxos saturados as espensa dos insaturados, quando a temperatura é reduzida. Em paralelo,um reator heterotrófico descontinuo foi definido, ficando demonstrado que a extrapolação da operação em batelada para contínua requer um biorreator heterotrófico com volume útil de trabalho de 240,51 m 3 , permitindo tratar 950 m3 diários de efluente, gerando 11,8 kg.d-1 de biomassa útil para produção de compostos celulares por Aphanothece microscopica Nägeli, visando à simultânea remoção de matéria orgânica, nitrogênio total e fósforo total, gerando insumos que podem suportar a implementação de uma biorrefinaria microalgal.

Application of an online-biomass sensor in an optical multisensory platform prototype for growth monitoring of biotechnical relevant microorganism and cell lines in single-use shake flasks

In the context of this work we evaluated a multisensory, noninvasive prototype platform for shake flask cultivations by monitoring three basic parameters (pH, pO2 and biomass). The focus lies on the evaluation of the biomass sensor based on backward light scattering. The application spectrum was expanded to four new organisms in addition to E. coli K12 and S. cerevisiae [1]. It could be shown that the sensor is appropriate for a wide range of standard microorganisms, e.g., L. zeae, K. pastoris, A. niger and CHO-K1. The biomass sensor signal could successfully be correlated and calibrated with well-known measurement methods like OD600, cell dry weight (CDW) and cell concentration. Logarithmic and Bleasdale-Nelder derived functions were adequate for data fitting. Measurements at low cell concentrations proved to be critical in terms of a high signal to noise ratio, but the integration of a custom made light shade in the shake flask improved these measurements significantly. This sensor based measurement method has a high potential to initiate a new generation of online bioprocess monitoring. Metabolic studies will particularly benefit from the multisensory data acquisition. The sensor is already used in labscale experiments for shake flask cultivations.