Mestrado em Engenharia Química (Dissertações)

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Biossíntese de lipídios por Rhodotorula mucilaginosa CCT 7688 a partir de hidrolisado de cascas de soja
(2019) Rocha, Keslei Rosendo da; Burkert, Carlos André Veiga
Lipids are organic molecules that are part of the constitution of living things and their food, being generally obtained through oil plants such as soybeans, for example, but also through the use of microorganisms such as yeasts. These have been studied extensively because of their rapid growth rate, possibility of expansion of the production scale and not being subject to typical crop pests. As a way of minimizing the costs of producing yeast lipids industrial coproducts can be used in the process by offering an alternative source of carbon and also minerals essential for growth. Thus, this work had as objective the production of lipids through the use of the yeast Rhodotorula mucilaginosa CCT 7688 in culture medium composed of hydrolysate obtained from soybean hulls. The soybean hulls used in this study were composed mainly of cellulose (39.11 %), hemicellulose (27.22 %) and lignin (14.73 %). Among the analyzed metals, the highest concentrations were aluminum (502.01 mgkg-1), zinc (42.20 mgkg-1) and manganese (40.12 mgkg-1). In order to determine the best hydrolysis conditions for the hulls aiming at a higher release of fermentable carbohydrates, tests were carried out evaluating the influence of hulls granulometry (without grinding or grinded with a mean particle size 1 mm), pressure and temperature inside the autoclave (0.5 atm e 111 °C, 1.1 atm e 122 °C, 1.5 atm e 127 °C) and de H2SO4 concentration (1,2 mmolg-1, 1,5 mmolg-1 and 1,8 mmolg-1). The solid-liquid ratio (1:8.8) and total reaction time (60 min) were fixed. The best determined conditions were: 1.1 atm, 122 °C, H2SO4 1.8 mmolg-1 and hulls with particle size 1 mm. Under these conditions 18.10 gL-1 of total reducing sugars were produced. In the first tests using the hydrolysate obtained from the best studied conditions, 9.11 ± 0.01 gL-1 of biomass were produced with 5.30 ± 0.68 % of lipids content, reaching 0.48 ± 0.06 gL-1 of total lipids after 240 h of cultivation. Cultures were carried out in a medium that simulated the carbohydrate concentrations present in the hydrolysate of soybean hulls (sugars mix), where 6.93 ± 0.02 gL-1 of biomass were produced with 11.49 ± 0.17 % of lipids content, reaching 0.79 ± 0.01 gL-1 of total lipids after 240 h of cultivation. In order to maximize the production of total lipids experimental designs (CCD 2³) were proposed, where the C/N ratio, MgSO4 7 H2O concentration and initial pH were the factors studied using as carbon sources xylose, arabinose, glucose and the concentrated hydrolysate. For the latter, C/N 80, MgSO4 7 H2O 1.5 gL-1 and initial pH 3.5 were the conditions that guaranteed best results: 7.26 gL-1 of biomass with 19.41 % of lipid content and 1.41 gL-1 of total lipids after 240 h of cultivation, which represented an increase of 66 % in relation to the first tests with the hydrolysate and 44 % in relation to the mix that simulated the concentration of the carbohydrates in the hydrolysate. Different cultivation strategies were also evaluated in order to increase lipid production. The "hydrolysate (20 gL-1) and addition of glucose (10 gL-1) after 72 h" fed-batch strategy was the one with better results: 11.92 ± 0.02 gL-1 of biomass composed by 29.28 ± 0.13 % of lipids, reaching 3.49 ± 0.01 gL-1 of total lipids after 144 h of cultivation. The lipids produced in this strategy were characterized by ¹H NMR and GC/MS, where the composition of oleic acid (66.92 %) and palmitic acid (24.62 %) was determined, among others, in smaller fractions. These results showed the potential when soybean hulls hydrolysate was used as a source of carbon and nutrients for lipid biosynthesis by R. mucilaginosa CCT 7688.
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Biossíntese de lipídios por Rhodotorula mucilaginosa CCT 7688 a partir de hidrolisado de cascas de soja
(2019) Rocha, Keslei Rosendo da; Burkert, Carlos André Veiga
Lipídios são moléculas orgânicas que fazem parte da constituição dos seres vivos e da sua alimentação, sendo geralmente obtidos através de plantas oleaginosas como a soja, por exemplo, mas também de forma alternativa através do uso de micro-organismos como as leveduras, por exemplo. As leveduras são muito estudadas devido à sua rápida taxa de crescimento, possibilidade de ampliação da escala de produção, pouco espaço industrial requerido e não estarem sujeitas às intempéries climáticas. Como forma de minimizar os custos de produção de lipídios por leveduras, resíduos industriais podem ser utilizados nos cultivos por oferecerem uma fonte de carbono alternativa e também minerais essenciais ao crescimento. Desta forma, este trabalho teve como objetivo a produção de lipídios através do uso da levedura Rhodotorula mucilaginosa CCT 7688 em meio de cultivo composto por hidrolisado obtido a partir de cascas de soja. Após caracterização das cascas de soja utilizadas neste estudo, determinou-se que estas eram compostas majoritariamente por celulose (39,11 %), hemicelulose (27,22 %) e lignina (14,73 %). Dentre os metais analisados, aqueles com maior concentração foram alumínio (502,01 mgkg-1), zinco (42,20 mgkg-1) e manganês (40,12 mgkg-1). Para determinar as melhores condições de hidrólise das cascas visando maior liberação de carboidratos fermentáveis, foram feitos testes avaliando a influência da granulometria das cascas (sem moer ou moídas com granulometria média 1 mm), pressão e temperatura na autoclave (0,5 atm e 111 °C, 1,1 atm e 122 °C, 1,5 atm e 127 °C) e concentração de H2SO4 (1,2 mmolg-1, 1,5 mmolg-1 e 1,8 mmolg-1) fixando-se a razão sólidolíquido em 1:8,8 e o tempo total de reação em 60 min. As melhores condições determinadas para a hidrólise foram: 1,1 atm, 122 °C, H2SO4 1,8 mmol g-1 e cascas com granulometria 1 mm. Nestas condições foram produzidos 18,10 gL-1 de açúcares redutores. Nos testes preliminares usando o hidrolisado obtido a partir das melhores condições estudadas, foram produzidos 9,11 ± 0,01 gL-1 de biomassa composta por 5,30 ± 0,68 % de lipídios, alcançando assim 0,48 ± 0,06 gL-1 de lipídios totais após 240 h de cultivo. Foram feitos cultivos em um meio que simulou as concentrações dos carboidratos presentes no hidrolisado de cascas de soja, onde foram produzidos 6,93 ± 0,02 gL-1 de biomassa composta por 11,49 ± 0,17 % de lipídios, alcançando assim 0,79 ± 0,01 gL-1 de lipídios totais após 240 h de cultivo. Com o objetivo de maximizar a produção de lipídios totais, foram propostos planejamentos experimentais do tipo DCC 2³ onde a razão C/N, a concentração de MgSO4 . 7 H2O e pH inicial foram os fatores estudados utilizando como fontes de carbono xilose, arabinose, glicose e o hidrolisado concentrado. Para este último, sob razão C/N 80, concentração MgSO4 7 H2O 1,5 gL-1 e pH inicial 3,5 foram obtidos os melhores resultados: 7,26 gL-1 de biomassa composta por 19,41 % de lipídios, produzindo assim 1,41 gL-1 de lipídios totais após 240 h de cultivo. Estes valores representaram um aumento de 66 % em relação aos primeiros testes com o hidrolisado e 44 % em relação à mistura que simulou a concentração dos carboidratos no hidrolisado. Foram avaliadas ainda diferentes estratégias de cultivo buscando aumentar a produção de lipídios, sendo a batelada alimentada com hidrolisado (20 gL-1 ) e glicose (10 gL-1 alimentada após 72 h de cultivo) a estratégia com melhores resultados, onde foram produzidos 11,92 ± 0,02 gL-1 de biomassa composta por 29,28 ± 0,13 % de lipídios, alcançando assim 3,49 ± 0,01 gL-1 de lipídios totais após 144 h de cultivo. Os lipídios produzidos nesta estratégia foram caracterizados por RMN ¹H e CG/MS, onde determinou-se majoritária composição por ácido oleico (66,92 %) e palmítico (24,62 %), dentre outros em menores frações. Esses resultados mostraram potencialidade no uso do hidrolisado de cascas de soja como fonte de carbono e nutrientes para a biossíntese de lipídios por R. mucilaginosa CCT 7688.
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Estratégias de cultivo para o aumento da produção de exopolissacarídeos por Ensifer meliloti em meio com melaço de soja
(2023) Ferreira Filho, Rui dos Santos; Burkert, Carlos André Veiga
O presente estudo foi conduzido com o objetivo de avaliar o efeito da composição do meio e do modo de cultivo na produção de exopolissacarídeos (EPS) pela bactéria Ensifer meliloti SEMIA 135, utilizando melaço de soja como fonte de nutrientes, enfatizando a importância da utilização de substratos de baixo custo como os coprodutos agroindustriais para atingir uma produção eficiente de EPS. A bactéria foi cultivada em frascos agitados utilizando diferentes meios, variando a concentração de melaço (30 a 50 g L-1) e a presença ou não de extrato de levedura e sais minerais, bem como nas formas de operação em batelada simples e alimentada. Foram realizados cultivos em biorreator de bancada de 5 L utilizando diferentes condições de agitação, em batelada simples e alimentada, determinando a produção de EPS e biomassa. Como resultado, comprovou-se que a utilização de extrato de levedura é dispensável, sendo possível utilizar um meio contendo somente melaço de soja (30 g L-1) acrescido de solução salina, enquanto concentração mais elevada de melaço resultou em redução da produção. A batelada alimentada em frascos agitados apresentou uma produção mais elevada de EPS (9,08 ± 0,25 g L-1) em comparação à batelada simples (7,67 ± 0,40 g L-1). As melhores condições de agitação e aeração para produção de EPS em biorreator de bancada foram 200 rpm e 1,25 vvm, respectivamente, correspondendo a um kLa de 17,5 h-1. A operação em batelada alimentada no biorreator proporcionou a maior produção de EPS do estudo (14,4 g L-1), em comparação com 8,61 g L-1 na batelada simples, confirmando que essa estratégia pode ser uma alternativa promissora para a produção de EPS a partir de bactérias diazotróficas. O EPS apresentou massa molar ponderal média de 9,266 x 107 Da, com baixo índice de polidispersão (3,330), grupos funcionais característicos de EPS rizobianos e caráter polianiônico (potencial zeta de -36,03 mV em pH 7). O EPS apresentou comportamento reológico seguindo o modelo de Herschel- Bulkley, com redução da viscosidade aparente com o aumento do pH, bem como alta estabilidade térmica, com temperatura de fusão de 203 C. A caracterização do biopolímero confirmou sua potencialidade como biomaterial para aplicações industriais, sendo uma opção atraente para diversos usos.
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Produção de exopolissacarídeos por Ensifer meliloti em frascos agitados e biorreator de bancada : condições de processo e caracterização parcial do biopolímero
(2022) Santos, Jandler Trocado dos; Burkert, Carlos André Veiga
Exopolissacarídeos (EPS) são biopolímeros produzidos de forma extracelular por diversos micro-organismos. Dentre os grupos de bactérias que produzem EPS, destacam-se as diazotróficas, que são responsáveis pela fixação do nitrogênio atmosférico. Tais macromoléculas possuem características físico-químicas que as permitem ser utilizadas em diversas aplicações industriais como floculantes, sorventes, agentes gelificantes e espessantes. Por outro lado, para viabilizar a produção de EPS, torna-se interessante o uso de substratos de baixo custo como fonte de nutrientes no meio de cultivo, como o melaço de soja, que contém carboidratos, lipídios, proteínas, minerais e vitaminas. Neste contexto, em relação à composição dos meios de cultivo, e considerando a complexa composição do melaço de soja, se faz necessária a avaliação das concentrações das fontes de carbono e nitrogênio para aumentar a produção do biopolímero. Além disso, para produção em biorreatores de bancada ou escalas maiores, é importante avaliar as condições de aeração e agitação, tendo em vista que são importantes para mistura e difusão de oxigênio. Portanto, os objetivos principais deste trabalho foram: estabelecer as melhores concentrações de melaço de soja e extrato de levedura em cultivo em frascos agitados para produção de EPS por Ensifer meliloti SEMIA 135; avaliar os efeitos da aeração e agitação em biorreator de escala de bancada visando à produção de EPS; e caracterizar parcialmente o bioproduto formado em termos de propriedades reológicas, térmicas e características estruturais. Os resultados obtidos indicam que as concentrações de melaço de soja e extrato de levedura que resultam na maior produção de EPS são, respectivamente, 30 g L-1 e 0,4 g L-1, resultando em 7,3 g L-1 do biopolímero. Além disso, o incremento do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) pelo aumento da aeração de 0,5 para 2 vvm (mantendo a agitação em 100 rpm) eleva a produção de biomassa e EPS, mas quando a agitação é incrementada (300 rpm), apesar do aumento do kLa, ocorre diminuição da produção. Desta forma, a condição de aeração e agitação que resultou na maior produção foi de 2 vvm e 100 rpm, resultando em 7,61 g L-1 de EPS. Em termos de características estruturais, o EPS apresentou massa molar ponderal média de 1,532 x 108 Da, grupos funcionais característicos de EPS provenientes de outras bactérias diazotróficas, presença de nitrogênio provavelmente associada a proteínas e caráter polianiônico evidenciado pelo potencial zeta negativo, com tendência de neutralização das cargas negativas com a acidificação do meio de dispersão. O biopolímero apresentou comportamento reológico pseudoplástico na faixa de pH de 2 a 7 e na concentração de 0,5 a 3 % (m v-1), seguindo o modelo de Herschel-Bulkley, caracterizado por apresentar tensão inicial de escoamento, enquanto a temperatura de degradação térmica ficou em torno de 285 C, mostrando o potencial de sua aplicação em diferentes áreas, como alimentícia e biotecnológica. O EPS produzido e parcialmente caracterizado pode vir a ser aplicado em formulações de produtos distintos, que necessitem de características de fluídos de Herschel-Bulkey e comportamento polianiônico em pH neutro, sendo capaz de resistir a processamentos térmicos sem perder suas propriedades.
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Produção de lipídios por Rhodotorula mucilaginosa em diferentes condições de processo a partir de glicerol bruto
(2018) Pereira, Renata Nunes; Burkert, Carlos André Veiga; Ores, Joana da Costa
Os óleos microbianos se destacam como alternativa de matéria-prima para obtenção de biodiesel, assim como outras aplicações. Estes óleos podem ser oriundos de microalgas, bactérias e leveduras. Contudo, as leveduras oleaginosas, como Rhodotorula mucilaginosa, se destacam por apresentarem alta taxa de crescimento e capacidade de assimilação de diversos substratos. Assim, o glicerol bruto gerado na produção de biodiesel é proposto como uma fonte de carbono promissora, também contribuindo para a sustentabilidade da cadeia produtiva do biocombustível. Além da fonte de carbono, diversos fatores influenciam no crescimento microbiano, como o modo de cultivo, podendo ser em batelada, batelada alimentada ou contínuo. A batelada alimentada apresenta algumas vantagens, como evitar a ação inibitória do substrato sobre o crescimento microbiano, favorecendo a obtenção de alta densidade celular. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo avaliar a capacidade da levedura Rhodotorula mucilaginosa de acumular lipídios utilizando como fonte de carbono o glicerol bruto, investigando diferentes estratégias de alimentação no cultivo em batelada alimentada visando à obtenção de biomassa lipídica. Os cultivos foram realizados em frascos agitados incubados a 25 ºC e 180 rpm, sendo avaliados dois meios de cultivo, o meio A (36,62 g L-1 glicerol bruto; 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) e o meio B (10,4 g L-1 glicerol bruto; 4,3 g L-1 peptona; 2,6 g L-1 extrato de malte; 3,4 g L-1 extrato de levedura). O cultivo M48A (alimentação de meio em 48 h, 72 h e 96 h) foi o que apresentou melhor desempenho para o meio A, resultando em um aumento de 112 % na biomassa, 108 % nos lipídios totais e 100 % na produtividade de lipídios em relação à batelada simples (BS-A). Para o meio B, a estratégia com melhor resultado foi YMG5 (alimentação de glicerol bruto em 24 h, 96 h e 144 h, com adição de magnésio no meio de cultivo inicial), apresentando lipídios totais produzidos 20 vezes maiores que o processo em batelada para o meio B (BS-B). Além disso, esta estratégia promoveu um aumento de 1,2 vezes na biomassa e conteúdo lipídico, e 1,5 vezes nos lipídios totais, em comparação à melhor condição para o meio A. Portanto, a melhor condição obtida neste estudo foi YMG5, resultando em conteúdo lipídico de 51,0 ± 0,3 %, concentração de biomassa de 21,00 ± 0,48 g L-1, lipídios totais de 10,72 ± 0,18 g L-1 e produtividade de lipídios de 0,037 ± 0,001 g L-1 h-1. Em relação aos ácidos graxos presentes nos óleos microbianos deste trabalho, para ambas as condições, o ácido linoleico foi o principal ácido graxo obtido. Assim, o presente trabalho demonstrou que os cultivos em batelada alimentada resultaram em maior crescimento microbiano e lipídios totais que os cultivos em batelada simples, podendo ser vista como uma alternativa promissora à produção de óleos vegetais.
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Síntese de propionato de isoamila por lipase microbiana
(2016) Roesler, Belkis Chalup Silveira; Burkert, Carlos André Veiga; Vanzin, Daniele Colembergue da Cunha
Ésteres de aroma são responsáveis pela fragrância e sabor característico de diversos produtos e são considerados ingredientes críticos, por que sem eles os produtos não teriam aceitação. Os ésteres de aroma são resultantes da reação direta de um álcool com um ácido carboxílico sob a ação de um catalisador em presença ou não de solvente. O uso de enzimas como catalisadores biológicos garantem ao aroma um caráter de produto natural, satisfazendo um público consumidor exigente por sustentabilidade, produtos naturais e livres de químicos. Neste contexto, o trabalho teve por objetivo sintetizar o éster propionato de isoamila, componente do aroma de frutas, aroma adocicado de amêndoas, aroma de cervejas e vinhos. A partir dos testes preliminares para a seleção do biocatalisador e do ácido carboxílico, foram obtidos percentuais máximos de esterificação para as enzimas Lipozyme® 435 e Lipozyme® RM IM na síntese de diferentes ésteres de isoamila, sendo, respectivamente: butirato de isoamila 82,9% (2 h) e 84,4% (6 h); acetato de isoamila 86,0% (2 h) e 90,5% (48 h); propionato de isoamila 86,5% (24 h) e 89,0% (24 h); laurato de isoamila 87,1% (2 h) e 85,4% (2 h). Na seleção do solvente para a síntese de propionato de isoamila por Lipozyme® 435, o uso do hexano resultou em um percentual de esterificação de 87,5% com diferença significativa (p<0,05) quando comparado aos outros solventes testados (acetona, metiletilcetona, éter dietílico, tolueno e heptano). A avaliação da adição inicial de água no sistema indicou que não se faz necessário um pré-tratamento dos reagentes para a remoção da água intrínseca. Entre as condições reacionais testadas, estabeleceu-se a temperatura de 25°C, razão molar álcool:ácido de 3:1 e uma concentração de ácido propiônico de 0,3 M, resultando em um percentual de esterificação de 95,2% em 24 h.