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Título: Otimização da produção de celulases de Melanoporia sp. por fermentação submersa
Título em inglês: Optimization of the production of cellulase Melanoporia sp. submerged fermentation
Autor(es): Oliveira, Simone Lopes do Rêgo de
Orientador(es): Rodrigues, Sueli
Coorientador(es): Galvão, Célia Maria A.
Palavras-chave: Engenharia química
Enzimas
Resíduos
Data do documento: 19-Dez-2014
Citação: OLIVEIRA, S. L. R. (2014)
Resumo: Celulases são um complexo enzimático constituído por endoglucanases, exoglucanases e β-glicosidases com diversas aplicações biotecnológicas. No entanto, o elevado custo de produção dessas enzimas é o principal obstáculo para sua aplicação industrial. Estima-se que cerca de 40% do custo total de produção de celulases esteja relacionado ao meio de cultura utilizado para o crescimento do micro-organismo. Nesse contexto, é de fundamental importância o desenvolvimento de processos para a produção de enzimas do complexo celulolítico que se mostrem técnico e economicamente viáveis. Diante do exposto, o presente estudo teve como objetivo avaliar a produção de celulases produzidas por Melanoporia sp. utilizando o pó da casca de coco como substrato em fermentação submersa. A influência dos parâmetros pH e temperatura na determinação da atividade da enzima foi avaliada através de planejamento experimental univariado. Em seguida, a composição do meio de cultura foi otimizada através dos planejamentos experimentais Plaket-Burman e Composto Central. A fermentação em condições otimizadas foi posteriormente conduzida em fermentador para avaliar a influência do controle de pH e oxigênio na produção da enzima. A estabilidade da enzima foi avaliada por 6 e 8 meses nas temperaturas de 4 °C e -20 °C, respectivamente. A capacidade das enzimas em hidrolisar o pó da casca do coco foi avaliada nas temperaturas de 65 °C e 80 °C utilizando o extrato enzimático bruto produzido por Melanoporia sp. A atividade da enzima foi determinada através da quantificação de açúcares redutores pelo método de DNS. O pH e a temperatura de determinação da atividade enzimática foram pH 5,5 e 80 °C, respectivamente. A composição do meio de cultura que proporcionou o maior rendimento de produção da enzima foi: 5 g/L de casca de coco; 15 g/L de lactose; 3% de tween 80; 1 g/L de KH2PO4 e 0,05 g/L de FeSO4; pH 6,5 a 30 °C em 72 horas. Para a produção da enzima em fermentador, o meio de cultura utilizando substrato não deslignificado, com controle do pH em 6,5, sem aeração proporcionou um aumento de 90% na atividade da enzima, comparado à fermentação em shaker. Nessas condições, a máxima produção da enzima foi obtida após 24 horas de fermentação. O extrato enzimático bruto produzido por Melanoporia sp. exibiu capacidade de hidrolisar celulose presente na casca de coco com eficiência, apresentando potencial industrial para a degradação de resíduos lignocelulósicos. Diferentemente da maior parte das celulases produzidas por espécies de Trichoderma, micro-organismo reportado como bom produtor de enzimas celulolíticas, o micro-organismo utilizado neste trabalho é capaz de produzir celulases de forma eficiente, sem necessidade de pré-tratamento do substrato. Outra característica diferencial desta enzima é sua elevada estabilidade nas temperaturas de -20 °C e 4 °C no caldo bruto.
Abstract: Cellulases are enzyme complex composed of endoglucanases, exoglucanases and β-glucosidases with several biotechnological applications. However, their production cost is a major obstacle for its industrial application. About 40% of the total cellulase production cost is related to the culture medium used for the microorganism growth. In this context, efficient processes for cellulolytic enzyme production are of technical and economical interest. Thus, the present study aimed to optimize the production of cellulases by Melanoporia sp. using coconut shell powder as substrate in submerged fermentation. The influence of pH and temperature on the enzyme activity was evaluated by univariate experimental design. Then, the composition of the culture medium was sequentially optimized through Plaket -Burman followed by Central Composite experimental designs. The fermentation under optimized conditions was subsequently conducted in bioreactor to evaluate the influen ce of pH control and aeration on enzyme production. The stability of the enzyme was evaluated for 6 and 8 months at 4 °C and - 20 °C, respectively. The ability of the enzyme to hydrolyze coconut shell powder was evaluated at 65 °C and 80 °C using the crude enzyme extract produced by Melanoporia sp. The enzyme activity was determined by the quantification of reducing sugars using DNS method at pH 5.5 and 80 °C (optimum conditions). The composition of the culture medium which provided the highest enzyme yield was: 5 g/L of coconut shell; 15 g/L lactose; 3% tween 80; 1 g/L of KH2PO4 and 0.05 g/L FeSO4; pH 6.5 at 30°C for 72 hours. For batch enzyme production, the cult ure medium using non-delignified substrate, with pH controlled at 6.5, without aeration resulted in an increase of 90% in enzyme activity compared to the fermentation in a rotatory shaker. Under these conditions, the maximal enzyme production was obtained after 24 hours of fermentation. The crude enzyme extract produced by Melanoporia sp. was able to hydrolyze cellulose (coconut shell powder) efficiently, presenting industrial potential for the degradation of lignocellulosic residues. Unlike most of the cellulases produced by Trichoderma species, the strain reported as one of the best producers, the microorganism was capable of producing cellulases efficiently without the need of substrate pretreatment. Another feature of this enzyme complex is its high stability in the crude broth at-20°C e 4 °C
Descrição: OLIVEIRA, S. L. R. Otimização da produção de celulases de Melanoporia sp. por fermentação submersa. 2014. 112 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química ) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/11032
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