Publicação: Produção de l-asparaginase fúngica em fermentação em estado sólido utilizando reatores com tecnologia de materiais poliméricos
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS BIOQUIMICOS
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Resumo
A enzima L-asparaginase é de fundamental importância na produção de medicamentos
usados no tratamento de canceres e doenças hematopoéticas, além disso é muito útil na
indústria alimentícia no controle de acrilamida em alimentos processados em altas temperaturas.
Grande parte da L-asparaginase produzida ainda é por fonte bacteriana em processo
fermentativo submerso (FS), entretanto o uso de fungos capazes de produzir L-asparaginase
em fermentação em estado sólido (FES) ganha mais atenção, juntamente ao desenvolvimento
de novos biorreatores de FES capazes de produzir L-asparaginase fúngica por longos períodos
de operação. Devido à importância da enzima L-asparaginase e a escassez de trabalhos
descrevendo novos biorreatores de FES na produção contínua de L-asparaginase fúngica,
dois novos biorreatores de FES capazes de produzir L-asparaginase continuamente foram
investigados: o reator mult-fase com imobilização celular (MRIC) e reator modular com
tecnologia polimérica (MRPT). Referente ao MRIC, o reator foi otimizado considerando as
variáveis temperatura, pH e concentrações de glicose e L-asparagina, tempo de residência
e tempo de fermentação usando uma modelo de rede neural artificial (RNA) associado ao
modelo de algoritmo genético (GA), sendo proposto em seguida um sistema de múltiplos
reatores (MRICs) para produzir L-asparaginase por Penicillium sp. LAMAI 505, Aspergillus sp.
e Fusarium sp. em FES operando continuamente. O sistemaMRICs foi otimizado considerando
os e efeitos do número de reatores associados, composição de nutrientes, tempo de
residência, reciclagem de nutrientes e ciclos de extração usando RNA e GA. O modelo de RNA
foi satisfatório (R²> 0,85 comerro menor que 2,4 %) e os MRICs tiveram bomdesempenho
quando comparados à literatura. A máxima atividade da L-asparaginase alcançada foi de 13,7
U/g em condições otimizadas que incluíram um tempo de residência de 33,5 min, pH de
5,1 e concentrações de L-asparagina e glicose de 1,2 e 3,0 g/L, respectivamente. Além disso,
demonstramos que osMRICs são eficazes com outros fungos e podem ser usados para outros
produtos derivados de microrganismos. Referente aoMRPT foi desenvolvido um novo reator
para a produção de L-asparaginase de Penicilliumsp. LAMAI 505 capaz de operar em processo
batelada e continuo por longos períodos de operação. Os dados obtidos no reator MRPT
foram ajustados e otimizados com RNA e o método de evolução diferencial (DE) obtendo
um rendimento de L-asparaginase de 19,36 U/g e 6,78 U/g.h em condições otimizadas de
operação contínua a 25 °C, 5,27 g/L de L-asparagina, 5,34 g/L de glicose e pH de 6,03. Além
disso, demonstramos que o MRPT é capaz de atingir o rendimento de L-asparaginase para
operação por longos períodos (mais de 1000 h). Os resultados indicam que a produção de
L-asparaginase por FES usando os dois novos biorreatores é satisfatório quando comparado
com a produção encontrada na literatura, o que sugere que os novos reatores são capazes de
produzir L-asparaginase fúngica em FES batelada e operando continuamente.
Abstract
The L-asparaginase enzyme is of fundamental importance in the production of drugs used
in the treatment of cancers and hematopoietic diseases, in addition, it is very useful in food
industry in the control of acrylamide in foods processed at high temperatures. Much of the
L-asparaginase produced is still from a bacterial source in process submerged fermentation
(SmF), however the use of fungi capable of producing L-asparaginase in solid-state fermentation
(SSF) gains more attention, along with the development of new SSF bioreactors capable
of producing fungal L-asparaginase for long periods of operation. Due to the importance
of the L-asparaginase enzyme and the scarcity of papers describing new SSF bioreactors
in the continuous production of fungal L-asparaginase, two new SSF bioreactors capable
of continuously producing L-asparaginase have been investigated: the multi-phase reactor
with cell immobilization (MRIC) and modular reactor with technology polymeric (MRPT).
Regarding the MRIC, the reactor was optimized considering the variables temperature, pH
and concentrations of glucose and L-asparagine, residence time and time of fermentation
using an artificial neural network (ANN) model associated with the model of genetic algorithm(
GA), being proposed a system of multiple reactors (MRICs) for produce L-asparaginase
by Penicillium sp. LAMAI 505, Aspergillus sp. and Fusarium sp. in SSF for long periods
of operation. The MRICs system has been optimized considering the effects of the number of
associated reactors, nutrient composition, residence time, recycling of nutrients and extraction
cycles using ANN and GA. The ANN model was satisfactory (R²>0.85 with an error less
than 2.4%) and the MRICs performed well when compared to the literature. The maximum
L-asparaginase activity achieved was 13.7 U/g under conditions optimized which included
a residence time of 33.5 min, pH of 5.1 and concentrations of L-asparagine and glucose 1.2
and 3.0 g/L, respectively. In addition, we demonstrate that the MRICs are effective with other
fungi and can be used for other products. Referent to MRPT has developed a new reactor for
the production of L-asparaginase from Penicillium sp. LAMAI 505 is capable of operating in
batch and continuous processes for long periods of operation. The data obtained in the MRPT
reactor were adjusted and optimized with ANN and the differential evolution method (DE)
obtaining an L-asparaginase yield of 19.36 U/g and 6.78 U/g.h under optimized conditions of
continuous operation at 25 °C, 5.27 g/L of L-asparagine, 5.34 g/L of glucose and pH 6.03. In
addition, we have demonstrated that the MRPT is capable of achieving the L-asparaginase
yield for long-term operation (more than 1000 h). The results indicate that the production
of L-asparaginase by SSF using the two new bioreactors is satisfactory when compared to
the products found in the literature, which suggests that the new reactors are capable of
producing fungal L-asparaginase in batch SSF and operating continuously.
Palavras-chave
Asparaginase, Sólidos, Fermentação, Poliméricos, Solid, Fermentation
Citação
VIEIRA, William Fernando. Produção de l-asparaginase fúngica em fermentação em estado sólido utilizando reatores com tecnologia de materiais poliméricos. 2022. 136 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.115.