Orientador: Ranulfo Monte Alegre

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

Resumo: Este trabalho se propôs a estudar a produção da iturina A por Bacillus subtilis em fermentação semi-sólida em biorreatores de leito empacotado. O trabalho foi desenvolvido em quatro partes. Em uma primeira parte foi feito um screening com cepas silvestres e seus mutantes obtidos a partir da...

Resumo: Este trabalho se propôs a estudar a produção da iturina A por Bacillus subtilis em fermentação semi-sólida em biorreatores de leito empacotado. O trabalho foi desenvolvido em quatro partes. Em uma primeira parte foi feito um screening com cepas silvestres e seus mutantes obtidos a partir da exposição de luz UV e acridina laranja. A cepa Bacillus subtilis subsp. subtilis NRRL NRS-1270 foi a que apresentou maior atividade antagônica contra os fungos Aspergillus fumigatus Fresenius NRRL 164, Aspergillus fumigatus Fresenius NRRL 166 e Aspergillus flavus var. oryzae NRRL 484. O extrato metanólico obtido da fermentação semi-sólida do Bacillus subtilis subsp. subtilis NRRL NRS-1270 foi analisado através da espectrometria de massas encontrando-se lipopeptídeos com massa molecular entre m/z 1021,43 e m/z 1087,48, mas sem a presença da iturina A. Em uma segunda etapa a cepa Bacillus Iso 1 foi isolada a partir das raízes de soja, e ante a dificuldade de identificar a iturina A através da cromatografia liquida de alta eficiência (HPLC), foi desenvolvida a metodologia de purificação da iturina A utilizando a cromatografia em coluna de vidro preenchida com sílica gel 60. A iturina A foi eluída com três sistemas de solventes compostos por 20 mL de clorofórmio-metanol-água (65:25:4,v/v/v), fração 1, seguido de 20 mL de clorofórmio-metanol-água (30:50:10, v/v/v), fração 2, e a fração final composta por 10 mL de clorofórmio-metanol-água (20:60:15, v/v/v). As frações obtidas foram analisadas através da HPLC e da espectrometria de massa, identificando 5 isômeros da iturina A (C13-C16). Na terceira etapa, foi feito um delineamento composto central rotacional (DCCR) para avaliar o efeito da casca de arroz como suporte inerte e da vazão volumétrica de ar na produção de iturina A; como substratos foram utilizados o farelo de soja desengordurado e o farelo de trigo. Nenhuma variável do DCCR foi estatisticamente significativa, mas operacionalmente foram importantes, devido à redução da oxigenação do Bacillus Iso 1 pela baixa vazão de ar e menor concentração de casca de arroz, favorecendo a produção de iturina; nestas condições obteve-se 6,88 g/kg de substrato seco de iturina A.Esta é a maior quantidade de iturina A produzida em biorreatores de leito empacotado (coluna) com aeração forçada até hoje. Na quarta etapa, a partir dos resultados obtidos no DCCR foram estudados os parâmetros do processo: queda de pressão, consumo de oxigênio e perfis de temperatura, visando entender o comportamento da fermentação a 0,4 L/min e 0,8 L/min. A máxima produção de iturina obtida foi 5,58 g/kg de substrato seco com a vazão de 0,4 L/min. O incremento na queda de pressão é ocasionado não unicamente pelo incremento da vazão volumétrica, mas também pela produção do biopolímero ?-PGA o qual ocupa os espaços livres entre as partículas, dificultando o fluxo normal de ar através do leito, reduzindo o consumo de oxigênio. A baixa oxigenação favoreceu a alta produção da iturina A e gerou baixo calor metabólico (5,75 W/kg-dry substrato·min). Os resultados obtidos podem ser úteis na elaboração de estratégias para ampliação de escala do processo em fermentadores aerados de leito empacotado

Abstract: This work covers a study of the production of iturin A by Bacillus by solid-state fermentation in packed bed bioreactors. The study was conducted in four parts. At first a screening was conducted with wild strains and their mutants obtained from exposure to UV light and mutagenic agent...

Abstract: This work covers a study of the production of iturin A by Bacillus by solid-state fermentation in packed bed bioreactors. The study was conducted in four parts. At first a screening was conducted with wild strains and their mutants obtained from exposure to UV light and mutagenic agent acridine orange. The strain Bacillus subtilis subsp subtilis NRRL NRS 1270 showed the highest antagonistic activity against Aspergillus fumigatus NRRL 164, Aspergillus fumigatus NRRL 166 and Aspergillus flavus var . oryzae NRRL 484. A methanolic extract obtained by solid state fermentation of Bacillus subtilis subsp subtilis NRRL NRS 1270 was analyzed with mass spectrometry showing lipopeptides with molecular mass between m/z 1021.43 and m/z 1087.48, but without the presence of iturin A. In the second stage, the strain Bacillus Iso 1 was isolated from soybean roots. Given the difficulty of identifying iturin A by high performance liquid chromatography (HPLC), a iturin A purification methodology was developed using glass column chromatography packed with activated Silica gel 60 and alumina. This methodology involved three solvent systems for elution of the iturin A from the column. A first fraction consisted of 20 ml of chloroform-methanol-water (65:25:4 , v/v/v) and was followed by 20 ml of chloroform - methanol- water (30:50 : 10, v/v/v), that was then followed by a final fraction consisting of 10 ml of chloroform-methanol-water (20:60:15, v/v/v). The fractions obtained of fermentation were analyzed by both HPLC and mass spectrometry, identifying five iturin A isomers (C13-C16). In the third stage of the study, an experimental design was constructed in the form of a central composite rotational design (CCRD) to evaluate the effect of rice husk as an inert support and air flow rates to the iturin A production, using defatted soybean meal and wheat bran as substrate. Although none of the studied variables showed statistical significance, the operational importance of reduction of oxygenation of the Bacillus Iso 1 fermentation due to the low concentration of rice husk and air flow rate was observed to favor the production of iturin; in these conditions high productivity was obtained reaching 6.88 g/kg-dry substrate of iturin A. Concluding from available literature, this is the highest concentration of iturin A ever produced in packed bed bioreactor (column) with forced aeration to date. In the fourth stage, in order to understand the behavior of the fermentation under aeration conditions between 0.4 L/min and 0.8 L/min, the following process parameters were studied, based on the results obtained from the CCRD: pressure drop, oxygen consumption and temperature profiles. The maximum production of iturin obtained was 5.58 g/kg-dry substrate with the air flow rate at 0.4 L/. The increase of the pressure gradients is caused not only by increasing the volumetric air flow rate but also by the production of biopolymer ?-PGA by Bacillus iso 1, which occupies the free interparticle space, hindering or preventing the normal flow of air through the bed and thus leading to reduced oxygen consumption. The low oxygenation favored the high iturin A production and resulted in low metabolic heat generation (5.75 W/kg-dry substrate.min). The results of this work are expected to be conducive for designing strategies to scale up the process in aerated packed bed bioreactors