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Tesis Doctoral
DOI
10.11606/T.97.2010.tde-25102012-133001
Documento
Autor
Nombre completo
Ricardo de Freitas Branco
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
Lorena, 2010
Director
Tribunal
Silva, Silvio Silverio da (Presidente)
Carvalho, Walter de
Perez, Victor Haber
Pessoa Junior, Adalberto
Santos, Júlio César dos
Título en portugués
Produção enzimática de xilitol utilizando sistema de regeneração de coenzima como alternativa às vias química e microbiológica de obtenção
Palabras clave en portugués
Bagaço de cana-de-açúcar
Biocatálise
Enzimas oxirredutoras
Poliálcool
Processos de membrana
Resumen en portugués
Xilitol é um açúcar-álcool com propriedades de interesse para as indústrias alimentícia, odontológica e farmacêutica. É tradicionalmente produzido em processo químico, sendo que a via fermentativa é a forma mais extensivamente estudada, entretanto, ainda possui limitações técnicas. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo determinar condições de obtenção de xilitol por via enzimática utilizando a enzima xilose redutase de Candida guilliermondii FTI 20037. Numa primeira etapa, esta enzima foi produzida e pré-purificada e em seguida foi realizada a seleção do sistema de regeneração enzimática in situ de coenzima NADPH. Foram considerados sistemas hipotéticos com formato desidrogenase, glicose desidrogenase e álcool desidrogenase, sendo determinado o efeito dos possíveis substratos e produtos sobre a xilose redutase pré-purificada. O sistema de regeneração escolhido foi o que utilizou a enzima glicose desidrogenase, sendo o substrato glicose e o produto gluconato. Em seguida, foi realizada a avaliação e seleção de variáveis do processo enzimático segundo planejamento fatorial fracionado 25-1. Foi avaliada a influência da concentração de xilose, de NADPH e de glicose, a carga de xilose redutase e de glicose desidrogenase sendo que a variável resposta foi considerada a produtividade volumétrica em xilitol. As duas variáveis selecionadas para otimização foram a concentração de xilose e de NADPH. Para a otimização do processo de produção de xilitol em meio sintético sob regime de batelada empregou-se um planejamento composto central rotacional (estrela) 22. A partir dos resultados pode-se construir um modelo quadrático que relacionou a produtividade com os fatores na região de estudo. De acordo com este modelo, a melhor condição operacional resulta em alto valor de produtividade e eficiência em xilitol, 1,68 g.l-1.h-1 e 100 %, respectivamente. Visando a viabilidade econômica do processo foram avaliadas membranas de ultra e nanofiltração para retenção das enzimas e coenzimas no sistema reacional. Foi constatado que a membrana de tamanho de poro de 1 kDa permitiu a retenção de 99 % da coenzima. Adicionalmente, foi avaliado o desempenho da enzima obtida a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar, comparando-se os resultados obtidos com aquela obtida pelo cultivo da levedura em meio baseado em xilose comercial. Foi comprovado que a fonte de carbono não teve efeito sob a produção enzimática de xilitol. Finalmente, foram realizados testes preliminares com a produção enzimática de xilitol em meio de hidrolisado de bagaço de canade- açúcar. Foi observado que a produção de xilitol não se alterou com meio contendo 20 e 40 % v.v-1 de hidrolisado. Em função dos resultados, foi concluído que a produção enzimática de xilitol é tecnicamente viável e que possui grande potencial como bioprocesso para aproveitamento de bagaço de cana-de-açúcar.
Título en inglés
Xylitol enzymatic production using coenzyme regeneration system as an alternative for the chemical and microbial obtainment way
Palabras clave en inglés
Biocatalysis
Membrane processes
Oxirreductive enzymes
Polyalcohol
Sugarcane bagasse
Resumen en inglés
Xylitol is a sugar-alcohol with proven interesting properties for food, odontological and pharmaceutical industries. It is traditionally produced in chemical process and the fermentative way, the most extensively studied alternative, nevertheless, still has disadvantages. In this context, the present work has as objective to determinate optimal conditions for xylitol attainment by enzymatic way using xylose redutase from Candida guilliermondii FTI 20037. Firstly, xylose redutase was produced, pre-purified and then the selection of an in situ enzymatic regeneration of coenzyme NADPH was carried out. Hypothetical regeneration systems were considered: formate dehydrogenase, glucose dehydrogenase and alcohol dehydrogenase, being determined the effect of the possible substrates and products under pre-purified xylose redutase. The glucose dehydrogenase regeneration system, being glucose the substrate and gluconate the product. Afterwards, it was carried out the screening and evaluation of the enzymatic process variables according to a fractioned factorial design 25-1. It was evaluated the influence of xylose, NADPH and glucose concentrations, xylose reductase and glucose dehydrogenase loads using xylitol volumetric productivity as response. Xylose and NADPH concentrations were selected for further optimization. A rotational central composite design (star) 22 was used for optimization of xylitol enzymatic process in synthetic media under batch regime. From the results, a quadratic model could be elaborated which relates the productivity with the factors in the studied region. According to this model, the best operational condition resulted in high productivity and efficiency values, 1,68 g.l-1.h-1 and 100 %, respectively. Aiming economical viability of the process, ultra and nanomembranes were studied for coenzyme and enzymes retention. It was verified that the 1 kDa cut off membrane allowed 99 % retention of the coenzyme. Additionally, it was evaluated the enzyme performance produced from sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysate, comparing the results attained with the enzyme produced from synthetic media. It was evidenced that the carbon source did not affected xylitol enzymatic production. Finally, xylitol enzymatic production preliminary assays were carried out using media containing sugarcane bagasse hydrolysate. It was observed that xylitol enzymatic production was not altered when compared to the control, in the experiments media containing 20 and 40 % v.v-1 hydrolysate. Based on the results, it was concluded that xylitol enzymatic production is technically viable and has great potential as a bioprocess for sugarcane bagasse use as raw material.
 
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Fecha de Publicación
2013-08-22
 
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