Orientadores: Lucimara Gaziola de la Torre, Reinaldo Gaspar Bastos

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: A imobilização de biocatalisadores é uma estratégia importante para aumentar a produtividade em bioprocessos. Entretanto, a dificuldade na obtenção de partículas homogêneas pelos métodos convencionais assim como as limitações difusionais impostas pelas matrizes poliméricas são questões que...

Resumo: A imobilização de biocatalisadores é uma estratégia importante para aumentar a produtividade em bioprocessos. Entretanto, a dificuldade na obtenção de partículas homogêneas pelos métodos convencionais assim como as limitações difusionais impostas pelas matrizes poliméricas são questões que precisam ser contornadas nestes sistemas. A microfluídica é uma tecnologia que pode contribuir nesta área diante da produção de micropartículas monodispersas e a possibilidade de investigação de respostas celulares em microambientes. Assim, este projeto teve como objetivo empregar a microfluídica para encapsular e investigar o comportamento de Bacillus subtilis em micropartículas de alginato. E, como desafio, investigar a produção de lipase, uma enzima de interesse biotecnológico relevante, usando cultivo em batelada. Diante disso, estratégias envolvendo geometrias de microcanais, soluções para fase contínua e dispersa na geração de gotas bem como métodos de gelificação de alginato foram estudados para a imobilização celular. Nestes estudos, um processo eficiente de imobilização foi obtido com microfluídica em geometria de fluxo cruzado, utilizando óleo fluorocarbonado para gerar as gotas de alginato. A reticulação do alginato, para a formação das micropartículas, foi realizada pelo método de gelificação interna. Em etapa subsequente, um microbiorreator de perfusão foi desenvolvido, permitindo identificar que o ambiente das micropartículas foi favorável para o crescimento celular, sendo que a alta concentração celular pode ter sido resultado da proteção celular. E, com o intuito de comparar estas micropartículas com outras estratégias em escala laboratorial, um sistema microfluídico de gotas operando em modo duplo foi desenvolvido. Assim, foi avaliada a produtividade em lipase para as formas de cultivo por células livres, imobilizadas por método convencional e por microfluídica. O cultivo das bactérias com micropartículas apresentou maior concentração celular e por isso a produtividade de lipase por esse sistema foi de até 3 vezes maior do que nas condições de células livres e imobilizadas por método convencional de gotejamento. Portanto, a tecnologia microfluídica mostra-se eficiente para encapsular e investigar comportamento celular e ainda, as micropartículas produzidas por este sistema podem ser aplicadas a cultivos submersos, o que poderá contribuir para o aumento de produtividade em bioprocessos

Abstract: mmobilization methods of biocatalyst are important strategies for improving the bioprocess productivity. However, heterogeneous particles productions from conventional methods and the diffusional limitations from polymeric matrix are some points could be optimized in these systems....

Abstract: mmobilization methods of biocatalyst are important strategies for improving the bioprocess productivity. However, heterogeneous particles productions from conventional methods and the diffusional limitations from polymeric matrix are some points could be optimized in these systems. Microfluidics is a technology that can contribute on this area due to the monodisperse microparticles productions and the possibility to investigate the cellular responses into the microparticles. Therefore, the purpose of this project was to use the microfluidics for encapsulating and investigating the cell behavior of Bacillus subtilis inside of alginate microparticles. As challenge, to investigate the potential of these cells on lipase production, an enzyme of relevant biotechnological interest was selected. Thus, strategies for microchannels geometries, composition of continuous and dispersed phase for droplet generation and alginate gelation methods were studied for Bacillus subtilis encapsulation on microparticles. On these studies, an efficient encapsulation process was obtained using a cross-flow microfluidic system, with fluorocarbon oil to generate the droplets and alginate cross-linking via internal gelation. The bacteria growth in perfusion microbioreactor shows that microparticles alginate conditions were favorable, resulting in a high cell density that can be stimulated by the cell protection. In order to apply these microparticles on a laboratory scale, a double droplet microfluidic system allowed us to investigate lipase productivity between the cultivate manners with free cell, encapsulated by the conventional and microfluidics methods. Thus, the cultivation with immobilized bacteria in alginate microparticle showed a high cell density, the lipase productivity by this system was almost 3 times higher than the conditions of free and encapsulated cells by conventional method. Therefore, the microfluidic technology was efficient to encapsulate and investigate of cell behavior on alginate microparticles and apply them on submerged cultivate, which may contribute to the increase of productivity in bioprocesses

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