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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-0514-9926
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Embargo Date: 2022-03-03
Title: Produção de l-asparaginase fúngica em fermentação em estado sólido utilizando reatores com tecnologia de materiais poliméricos
Alternate title (s): Production of fungal l-asparaginase in solid state fermentation using reactors with polymeric materials technology
Author: Vieira, William Fernando
First Advisor: Coutinho Filho, Ubirajara
First member of the Committee: Sousa, Nádia Guimarâes
Second member of the Committee: Cardoso, Vicelma Luiz
Third member of the Committee: Lemos, Diego Andrade
Fourth member of the Committee: Resende, Miriam Maria de
Summary: 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.
Keywords: Asparaginase
Sólidos
Fermentação
Poliméricos
Solid
Fermentation
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS BIOQUIMICOS
Subject: Engenharia química
Fermentação
Enzimas de fungos
Compostos poliméricos
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: 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.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.115
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/34599
Date of defense: 23-Feb-2022
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