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metadata.dc.type: doctoralThesis
Title: Maximização dos parâmetros operacionais e comparação de meio para melhoria da produção e acúmulo de P(3HB) por bactérias nativas
Other Titles: Optimization of operational parameters and media comparation through Rotational Central Compound Design 22 for improved production and accumulation of P (3HB) by native bacteria.
metadata.dc.creator: Alves, Mariane Igansi
metadata.dc.contributor.advisor1: Moreira, Angelita da Silveira
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Oliveira, Patrícia Diaz de
metadata.dc.description.resumo: A crescente preocupação com o impacto ambiental que os descartes de forma errônea dos plásticos de origem petroquímica causam, tem levado a uma busca de matérias-primas que possam substituí-los. Biopolímeros microbianos são polímeros biodegradáveis produzidos em processos fermentativos por microrganismos a partir de matérias-primas renováveis; alguns tem sido estudados e utilizados como substituintes dos plásticos de origem pretroquímica. O poli(3hidroxibutirato) [P(3HB)] é um bioplástico lipofílico da família dos polihidroxialcanoatos com propriedades térmicas e mecânicas semelhantes ao polipropileno. Um dos entraves à sua ampla utilização comercial é normalmente a baixa produção, que eleva seu custo. O rendimento do produto e a produtividade de muitos processos biológicos podem ser substancialmente melhorados, através da composição dos meios de cultivo e dos parâmetros operacionais nos processos fermentativos, como aeração, agitação, temperatura, pH, entre outros. O Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) é uma ferramenta que começou a ser utilizada há alguns anos, em bioprocessos, mas que ainda não é utilizada rotineiramente. Quando bem conduzido permite ampliar o volume de dados/respostas obtidos em menor tempo, com economia de material. Assim, fez-se, inicialmente, uma ampla revisão bibliográfica sobre a produção de P(3HB), enfatizando as fontes de carbono e nitrogênio utilizados no meio de cultivo e os principais parâmetros operacionais do processo - aeração, agitação, pH, temperatura e tempo. Após, em biorreator de bancada, os parâmetros aeração e agitação na fase de multiplicação celular foram estudados para Ralstonia solanacearum RS. O processo foi realizado utilizando um Delineamento Composto Central Rotacional 22 (DCCR 22). Utilizou-se meio YM modificado e 32 ºC; as variáveis independentes foram agitação (150 a 250 rpm) e aeração (0,3 a 1 vvm), e as dependentes foram densidade óptica (DO600nm), massa celular seca (MCS) e rendimento de P(3HB). Obteve-se os melhores resultados de crescimento celular (DO600nm 18,04 abs e MCS 4,82 g L-1) com a combinação de 1 vvm com 250 rpm. O maior rendimento polimérico foi 45,06 %, com aeração de 1,05 vvm e agitação de 200 rpm. Os modelos matemáticos gerados não foram preditivos e significativos para as variáveis dependentes DO600nm e MCS, somente para o rendimento do P(3HB). A combinação 1 vvm e 250 rpm foi selecionada como padrão na fase de multiplicação celular em biorreator. Obtiveram-se polímeros com polidispersão entre 2,07- 6 e uma massa molar (Da) de 8,7 × 104-1,1 × 105, o que os torna adequados a aplicações nobres e diferenciadasnas áreas médica e farmacêutica, como na fabricação de fios de sutura, enxerto ósseo e liberação controlada de fármacos, as quais requerem polímero de baixa massa molar e a alta polidispersividade é benéfica. Já com Bacillus megaterium CN3 em agitador incubador orbital, realizou-se um estudo referente ao pH inicial do meio YM modificado e à fonte de carbono e na fase de crescimento celular, utilizou-se dois DCCR 22, sendo um para cada açúcar. A temperatura utilizada foi 36 ºC; as variáveis independentes foram sacarose (15 a 45 g L-1) e pH inicial (5,8 a 7,2), e 9 glicose (10 a 50 g L-1) e pH inicial (5,5 a 9,5); as dependentes foram pH final, DO600nm, MCS, consumo de açúcar e nitrogênio. Com a combinação selecionada - sacarose 47,1 g L-1 e pH inicial 7,2 – produziu-se inóculo para utilização na fase de produção de polímero, na qual comparou-se os meios quimicamente definidos F4 (fonte de N ureia) e MM (fonte de N sulfato de amônio) e diferentes tempos. O maior acúmulo - 45,1 % de P(3HB) - ocorreu com o meio MM em 24 h. Para ambas bactérias conseguiu-se, mediante o uso do DCCR 22, elevar a produção e rendimento em relação aos resultados anteriores, confirmando a importância dessa ferramenta, tanto para estudo de parâmetros operacionais como para composição de meio. As quantidades produzidas foram satisfatórias para bactérias nativas.
Abstract: The growing concern about the environmental impact that the mistakenly discard of the petrochemical origin causes, has led to a search for raw materials that can replace them. Microbial biopolymers are biodegradable polymers produced in fermentative processes by microorganisms from renewable raw materials; some have been studied and used as substituents of plastics of pre-chemical origin. Poly(3-hydroxybutyrate) [P(3HB)] is a lipophilic bioplastic of the polyhydroxyalkanoate family with thermal and mechanical properties similar to polypropylene. One of the obstacles to its widespread commercial use is usually low production, which raises its cost. The yield of the product and the productivity of many biological processes can be substantially improved by the composition of the culture media and the operational parameters in the fermentation processes, such as aeration, stirring, temperature, pH, among others. The Central Composite Rotational Design (CCRD) is a tool that has been used for several years in bioprocesses, but is not yet routinely used. When well conducted, it allows to increase the volume of data/ answers obtained in less time, with material saving. Thus, a broad bibliographic review was initially made on the production of P(3HB), emphasizing the carbon and nitrogen sources used in the culture medium and the main operational parameters of the process - aeration, agitation, pH, temperature and time. After, in the bioreactor, the parameters aeration and agitation in the cell multiplication phase were studied for Ralstonia solanacearum RS. The process was performed using a Central Composite Rotational Design 22 (CCRD 22). Modified YM medium and 32 °C were used; the independent variables were agitation (150 to 250 rpm) and aeration (0.3 to 1 vvm), and the dependents were optical density (OD600nm), dry cell weight (DCW) yield and P(3HB) accumulation. The best cell growth results (OD600nm 18.04 abs and DCW 4.82 g.L-1) were obtained with the combination of 1 vvm at 250 rpm. The highest polymer yield was 45.06 %, aeration of 1.05 vvm and agitation of 200 rpm. The mathematical models generated were not predictive and significant for the dependent variables OD600nm and dcw, only for the P(3HB) accumulation. The combination 1 vvm and 250 rpm was selected as the standard in the cell multiplication phase in bioreactor. Polymers with polydispersion between 2.07- 6 and a molar mass (Da) of 8.7 × 104-1.1 × 105 were obtained, which makes them suitable for noble and differentiated applications in medical and pharmaceutical areas, as in manufacturing suture wires, bone grafting, and controlled drug release, which require low molar mass polymer and high polydispersity is beneficial. With Bacillus megaterium CN3 in an orbital shaker incubator, a study was carried out regarding the initial pH of the modified YM medium and the carbon source, and in the cell growth phase two CRRD 22 were used, one for each sugar. The temperature used was 36 °C; the independent variables were sucrose (15 to 45 g.L-1) and initial pH (5.8 to 7.2), and glucose (10 to 50 g.L-1) and initial pH (5.5 to 9.5); the dependents were final pH, OD600nm, DCW, sugar and nitrogen consumption. With the selected combination - sucrose 47.1 g.L-1 11 and initial pH 7.2 - inoculum was produced for use in the polymer production stage, in which the chemically defined F4 (source of N urea) and MM (source of ammonium sulfate) and different times. The highest accumulation - 45.1% of P (3HB) - occurred with the MM medium in 24 h. For both bacteria, the use of CRRD 22 was able to increase production and yield in relation to previous results, confirming the importance of this tool, both for the study of operational parameters and for media composition. The quantities produced were satisfactory for native bacteria
Keywords: Bacillus megaterium
Biopolímero microbiano
Delineamento composto central rotacional
Poli(3-hidroxibutirato)
Ralstonia solanacearum
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::CIENCIAS AGRARIAS::CIENCIA E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Pelotas
metadata.dc.publisher.initials: UFPel
metadata.dc.publisher.department: Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos
Citation: ALVES, Mariane Igansi. Maximização de parâmetros operacionais e comparação de meios para melhoria da produção e acúmulo de P(3HB) por bactérias nativas. 2019. 170f. Exame de tese. Programa de Pós- Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos, Universidade Federal de Pelotas, Pelotas.
metadata.dc.rights: OpenAccess
URI: http://guaiaca.ufpel.edu.br:8080/handle/prefix/4759
Issue Date: 27-Mar-2019
Appears in Collections:PPGCTA: Dissertações e Teses

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