Estudo da produção de colorantes naturais por Talaromyces amestolkiae em biorreator Airlift

Os colorantes naturais têm sido uma nova alternativa para atender a demanda do mercado no qual seus consumidores buscam produtos naturais além da atividade biológica a ser explorada. A busca por alimentos saudáveis se tornou uma condição imprescindível atrelado à viabilidade econômica de sua produção, em que o aprimoramento da produção se faz necessário incluindo o desenvolvimento de culturas reprodutíveis em biorreatores. Assim, o estudo teve como objetivo avaliar a produção de colorantes naturais por meio do cultivo submerso de T. amestolkiae em biorreator pneumático do tipo airlift de circulação interna, em escala laboratorial. Foram conduzidos cultivos em batelada, sob diferentes condições hidrodinâmicas e taxas de aeração, utilizando meio sintético contendo glicose, com controle de pH e temperatura. Os parâmetros avaliados incluíram crescimento celular, consumo de substrato, intensidade colorimétrica de 500 nm, rendimento, além da eficiência de transferência de oxigênio (kLa) e consumo de oxigênio (OUR). Os resultados mostraram que o biorreator airlift proporcionou homogeneização, elevada solubilização de oxigênio e baixo estresse mecânico, promovendo a produção de colorantes extracelulares com absorbância de 21 ± 2,4 UA₅₀₀nm·L⁻¹. A otimização do tempo de cultivo foi executada por meio do incremento de uma operação unitária para o rompimento celular, após o término do cultivo, possibilitando um ganho na absorbância do colorante de 2,5 vezes, permitindo assim, parar a fermentação submersa em 120 h. O estudo demonstrou a viabilidade do processo em biorreator airlift e fornece subsídios para a futura ampliação em escala industrial de processos sustentáveis baseados na biotecnologia de fungos filamentosos.

Resumo (inglês)

Natural colorants have emerged as a promising alternative to meet market demand, in which consumers increasingly seek natural products with additional exploitable biological activities. The pursuit of healthier foods has become an essential requirement, combined with the economic feasibility of their production, where process improvement is necessary, including the development of reproducible cultures in bioreactors. Therefore, this study aimed to evaluate the production of natural colorants through submerged cultivation of Talaromyces amestolkiae in a laboratory-scale internal-loop airlift bioreactor. Batch cultivations were conducted under different hydrodynamic conditions and aeration rates, using a synthetic medium containing glucose, with pH and temperature control. The parameters evaluated included cell growth, substrate consumption, colorimetric intensity at 500 nm, yield, as well as oxygen transfer efficiency (kLa) and oxygen uptake rate (OUR). The results showed that the airlift bioreactor ensured homogenization, high oxygen solubilization, and low mechanical stress, promoting the production of extracellular colorants with an absorbance of 21.0 ± 2.4 UA₅₀₀nm·L⁻¹. Optimization of the cultivation time was achieved by implementing a unit operation for cell disruption after fermentation, which resulted in a 2.5-fold increase in colorant absorbance, enabling the submerged fermentation to be terminated at 120 h. This study demonstrated the feasibility of the process in an airlift bioreactor and provides insights for future industrial-scale expansion of sustainable processes based on filamentous fungi biotechnology.

Resumo (espanhol)

Los colorantes naturales han surgido como una nueva alternativa para satisfacer la demanda del mercado, cuyos consumidores buscan productos naturales además de la actividad biológica que se pueda explotar. La búsqueda de alimentos saludables se ha convertido en una condición imprescindible, vinculada a la viabilidad económica de su producción, donde el perfeccionamiento del proceso productivo resulta necesario, incluyendo el desarrollo de cultivos reproducibles en biorreactores. Así, el estudio tuvo como objetivo evaluar la producción de colorantes naturales mediante el cultivo sumergido de Talaromyces amestolkiae en un biorreactor neumático tipo airlift de circulación interna, a escala de laboratorio. Se realizaron cultivos en lote bajo diferentes condiciones hidrodinámicas y tasas de aireación, utilizando un medio sintético con glucosa, con control de pH y temperatura. Los parámetros evaluados incluyeron crecimiento celular, consumo de sustrato, intensidad colorimétrica a 500 nm, rendimiento, además de la eficiencia de transferencia de oxígeno (kLa) y consumo de oxígeno (OUR). Los resultados mostraron que el biorreactor airlift proporcionó homogeneización, alta solubilización de oxígeno y bajo estrés mecánico, promoviendo la producción de colorantes extracelulares con una absorbancia de 21 ± 2,4 UA₅₀₀nm·L⁻¹. La optimización del tiempo de cultivo se realizó mediante la incorporación de una operación unitaria para la ruptura celular al final del cultivo, lo que permitió un incremento de 2,5 veces en la absorbancia del colorante, posibilitando detener la fermentación sumergida a las 120 h. El estudio demostró la viabilidad del proceso en biorreactor airlift y proporciona bases para una futura ampliación a escala industrial de procesos sostenibles basados en la biotecnología de hongos filamentosos.

Resumo (chinês)

天然色素已成为满足市场需求的新选择，其消费者不仅追求天然产品，还希望开发其潜在的生物活性。对健康食品的追求已成为必不可少的条件，同时还需考虑生产的经济可行性，因此有必要改进生产过程，包括在生物反应器中开发可重复的培养体系。本研究旨在评估在实验室规模的内循环气升式（airlift）气动生物反应器中，通过液体深层培养 Talaromyces amestolkiae 来生产天然色素。实验采用分批培养，在不同流体动力学条件和通气速率下进行，使用含葡萄的合成培养基，并控制 pH 和温度。评估的参数包括细胞生长、底物消耗、500 nm 处的比色强度、产率，以及氧传递效率（kLa）和氧消耗率（OUR）。结果表明，气升式生物反应器可实现良好的混合、高效的氧溶解及低机械剪切，应有利于细胞外色素的生产，其吸光度达到 21 ± 2.4 UA₅₀₀nm·L⁻¹。通过在培养结束后增加一个细胞破碎的单元操作，优化了培养时间，使色素吸光度提高了 2.5 倍，从而可以在 120 小时终止液体发酵。本研究证明了气升式生物反应器在该过程中的可行性，并为未来将丝状真菌生物技术应用于工业规模的可持续生产提供了重要参考。

Palavras-chave

Talaromyces amestolkiae, Biorreator tipo airlift, Colorante natural, Corantes - fungos, Fungos - Biotecnologia, Fungos filamentosos, Dyes — Fungi, Fungi — Biotechnology, Filamentous fungi, Colorantes — Hongos, Hongos filamentosos, 气升式生物反应器, 天然色素, 真菌生物技术, 丝状真菌

Idioma

Português

Citação

BARIZAN, Wellington dos Santos. Estudo da produção de colorantes naturais por Talaromyces amestolkiae em biorreator airlift. 2025. 128 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Farmacêuticas) – Universidade Estadual Paulista (Unesp), Faculdade de Ciências Farmacêuticas, Araraquara, 2025.