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Prêmios
Prêmio Capes de Teses 2008
A Tese de Doutorado Produção de Lipase de Yarrowia Lipolytica em Biorreator Multifásico desenvolvida pela discente Priscilla Filomena Fonseca Amaral (recentemente aprovada em concurso para o quadro de professores do DEB - Departamento de Engenharia Bioquímica), sob orientação das Professoras Maria Alice Zarur Coelho e Maria Helena Miguez Rocha-Leão, ganhou o Prêmio de Melhor Tese de 2008 na área de Engenharias II.
A tese foi apresentada à EQ/UFRJ pela Priscilla Filomena Fonseca Amaral como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.) em Outubro/2007. Segue abaixo o resumo da mesma em português e inglês:
Resumo
A disponibilidade de oxigênio para a biomassa é o fator limitante da produtividade de grande parte dos fermentadores que operam com organismos estritamente aeróbios. Este trabalho propõe uma investigação do emprego de um perfluorocarboneto (PFC) utilizado como carreador de oxigênio em meios de cultivo, na produção de lipase de Yarrowia lipolytica IMUFRJ 50682 visando melhorar a transferência de oxigênio e otimizar a respectiva produtividade.
A utilização de PFC nos cultivos de Y. lipolytica em frascos agitados aumentou a taxa específica de crescimento celular e a taxa de consumo de glicose, quando estes foram submetidos à agitação de 160 e 250 rpm. A produtividade da lipase extracelular de Y. lipolytica aumentou 23 vezes com a adição de 20% (v/v) de PFC quando o sistema foi agitado a 250 rpm. Nesta condição de agitação, a concentração de PFC (entre 0 e 50% (v/v)) que promoveu maior aumento na produção de lipase foi 20% (v/v).
Os cultivos realizados na presença de PFC apresentaram uma particularidade: a presença de células na fase do PFC, o que tornou necessário uma investigação sobre as características da superfície celular de Y. lipolytica. Seis diferentes métodos de caracterização de superfície celular foram empregados para explicar este comportamento da cepa de Y. lipolytica na presença de PFC. Y. lipolytica IMUFRJ 50682 apresentou alta afinidade a solventes apolares (hexadecano, tolueno e hexano) e superfícies hidrofóbicas (poliestireno, filmes de hexametildisiloxano e filmes de octafluorociclobutano). As proteínas presentes na parede celular desta cepa parecem exercer um papel importante nessas características de superfície devido à redução do caráter hidrofóbico após a ação proteolítica da pronase.
Investigou-se a produção de agentes emulsionantes durante o cultivo de Yarrowia lipolytica IMUFRJ 50682. Foi detectada alta atividade emulsionante no meio de cultivo contendo glicose como fonte de carbono e o bioemulsionante produzido foi isolado e caracterizado. Este bioemulsionante, denominado Yansan, apresentou alta atividade e estabilidade emulsionante e foi capaz de estabilizar emulsões do tipo água em óleo com vários hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos, assim como com perfluorocarbonetos.
Medidas de kLa em um biorreator de 2 L agitado e aerado foram realizadas para se identificar as condições operacionais ótimas para o cultivo de Y. lipolytica na presença de perfluorodecalina. Este estudo mostra que as melhores condições experimentais para a transferência de oxigênio foram: a concentração de 20% (v/v) de PFC, a utilização de dois impelidores do tipo Rushton com seis lâminas verticais e a presença de meio YPD como fase aquosa, com um valor de kLa de 64.6 h-1.
No cultivo de Y. lipolytica realizado em biorreator de 2 L agitado e aerado, o efeito benéfico da adição de 20% (v/v) de perfluorodecalina só foi evidenciado com agitação do sistema maior que 350 rpm. A partir desse valor de agitação, o PFC começou a ser totalmente disperso, permitindo o aumento da transferência de oxigênio nos cultivos. Com o aumento da agitação para 550 e 650 rpm houve um aumento da taxa de crescimento celular e consumo de glicose ainda maior com a adição de PFC.
A avaliação econômica do processo de produção de lipase por Y. lipolytica em biorreator de 2 L em meio YPD* sob agitação de 650 rpm e aeração de 1,5 L min-1 mostrou que este processo só é economicamente viável quando realizado na presença de PFC.
Abstract
The inadequate supply of oxygen to biomass is a critical factor to the productivity of most aerobic submerged fermentations. The introduction of nonconventional media, as organic solvents, in conventional bioreactors can be regarded as an adjustment which will improve fermentation processes. The purpose of the this work was to investigate the utilization of a perfluorocarbon (PFC) used as an oxygen carrier in culture media, in lipase production from Yarrowia lipolytica IMUFRJ 50682 to improve the oxygen transfer rate and optimize its productivity.
PFC utilization in Y. lipolytica's growth medium in agitated flasks has raised the specific growth rate and glucose consumption rate, when the flasks were agitated at 160 and 250 rpm. Extracellular lipase productivity by Y. lipolytica was enhanced 23-fold with the addition of 20% (v/v) PFC at 250 rpm. In these conditions, the PFC concentration (between 0 and 50% (v/v)) which promoted higher raise in lipase production was 20% (v/v).
The investigation of Y. lipolytica cell surface characteristics became necessary to determine the interactions between the cells and perfluorodecalin. Six different methods to characterize cell surfaces were employed to explain the cell surface behavior of this strain in the presence of PFC. Y. lipolytica IMUFRJ 50682 presents high affinity to non polar solvents (hexadecane, toluene and hexane), and to hydrophobic surfaces (polystyrene, hexamethyldisiloxane film and octafluorocyclobutane film). The proteins present on Y. lipolytica's cell wall seems to play an important role in these particular surface characteristics because of the consistent reduction of this yeast hydrophobic character after the proteolytic action of pronase on its cell wall.
The production of emulsifying agents during Yarrowia lipolytica's IMUFRJ50682 growth has been investigated. Emulsification activity was detected in the culture medium with glucose as carbon source and the bioemulsifier produced was successfully isolated and characterized. This bioemulsifier, named Yansan, presented high emulsification activity and stability and was capable of stabilizing oil-in-water emulsions with several aliphatic and aromatic hydrocarbons, as well as with perfluorocarbons.
kLa measurements in a submerged aerated 2-L bioreactor were performed to identify optimal operations conditions for Y. lipolytica growth in the presence of perfluorodecalin. This study shows that the best experimental conditions where achieved with a perfluorodecalin concentration of 20% (v/v), mixing using two Rushton turbines with six vertical blades and in the presence of YPD medium as the aqueous phase, with a kLa value of 64.6 h-1.
The beneficial effect of the addition of 20% (v/v) of PFC in Y. lipolytica lipase production experiments in a submerged aerated and agitated 2-L bioreactor was only evidenced with agitation speed higher than 350 rpm. Beyond this value, the PFC was totally dispersed, which caused the raise in the oxygen transfer of the medium. There was a higher increase in specific growth rate and glucose consumption rate with the raise in agitation speed to 550 and 650 rpm.
Economic evaluation of Y. lipolytica lipase production in a submerged aerated and agitated 2-L bioreactor with YPD* medium at an agitation speed of 650 rpm and aeration rate of 1,5 l min-1 has shown that this process presents economic viability only with the addition of PFC.