Otimização da composição do meio de cultivo para a produção de surfactina por Bacillus subtilis - Paula, Isabella Santos de [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
A surfactina é um biossurfactante produzido a partir de meios de cultura adequados para o cultivo de cepas de Bacillus subtilis, que apresentam alta capacidade de produção. Através desses cultivos, obtém-se caldos com significativa atividade surfactante, o que permite diversas aplicações industriais. Sua produção ocorre por meio de processos aeróbicos, nos quais são utilizados meios de cultivo de alta qualidade, com fontes adequadas de carbono e nitrogênio, além de parâmetros otimizados, como a velocidade de transferência de oxigênio, o pH e a quantidade de nutrientes adicionados ao longo do processo. Uma estratégia para melhorar a transferência de oxigênio no caldo de cultivo, sem a necessidade de aumentar a frequência de agitação ou a vazão de ar, é a utilização de vetores de oxigênio. Esta abordagem pode contribuir significativamente para a produção do biossurfactante, uma molécula que facilita a formação de espumas. Este estudo teve como objetivo investigar o processo de produção da surfactina utilizando uma linhagem bacteriana geneticamente modificada de Bacillus subtilis, visando a otimização do meio de cultura e a validação da composição otimizada por meio de um modelo. Além disso, o trabalho incluiu a avaliação do uso de vetores de oxigênio na produção de surfactina. Na primeira fase da pesquisa, foram realizados testes para avaliar a composição do meio de cultivo, além de uma análise preliminar para otimizar o processo. Na segunda fase, foram estudadas diferentes fontes de carbono e de nitrogênio, a fim de identificar aquelas que mais influenciam a produção. Além disso, foram conduzidos experimentos planejados para testar diferentes concentrações dos principais componentes do meio de cultura PW. Dada a complexidade dos resultados, optou-se por otimizar o processo utilizando modelos de redes neuronais. Finalmente, avaliou-se o uso de vetores de oxigênio, como n-dodecano e n-hexano, na produção de surfactina. Os resultados indicaram que a glicose é a fonte de carbono que promove a maior produção de surfactina. Em relação à análise estatística, nenhum modelo apresentou coeficiente de correlação ajustado, o que impossibilitou a otimização do processo por métodos estatísticos tradicionais. Consequentemente, a otimização foi realizada por meio de redes neuronais, que geraram cinco composições candidatas. Apenas uma dessas composições foi confirmada experimentalmente, resultando em um aumento de 2,4 vezes na produção de surfactina. Por fim, observou-se que a adição de n-hexano, em pequenas concentrações, contribuiu positivamente para a produção de surfactina.

Surfactin is a biosurfactant produced from culture media suitable for the growth of Bacillus subtilis strains, which demonstrate a high production capacity. Through these cultures, broths with significant surfactant activity are obtained, enabling various industrial applications. Its production occurs through aerobic processes using high-quality culture media with appropriate carbon and nitrogen sources, as well as optimized parameters such as oxygen transfer rate, pH, and the amount of nutrients added during the process. An effective strategy to improve oxygen transfer in the culture broth, without increasing agitation frequency or air flow rate, is the use of oxygen vectors. This approach can significantly enhance the production of the biosurfactant, a molecule that facilitates foam formation. This study aimed to investigate the production process of surfactin using a genetically modified Bacillus subtilis strain, focusing on culture medium optimization and the validation of the optimized composition through modeling. Additionally, the study evaluated the use of oxygen vectors in surfactin production. In the first phase of the research, tests were conducted to assess the composition of the culture medium, along with a preliminary analysis to optimize the process. In the second phase, different carbon and nitrogen sources were studied to identify those that most influence production. Furthermore, planned experiments were performed to test various concentrations of the main components of the PW culture medium. Given the complexity of the results, process optimization was carried out using neural network models. Finally, the use of oxygen vectors, such as n-dodecane and n-hexane, in surfactin production was evaluated.The results indicated that glucose is the carbon source that promotes the highest surfactin production. Regarding statistical analysis, none of the models presented an adjusted correlation coefficient sufficient for process optimization using traditional statistical methods. Consequently, optimization was performed using neural networks, which generated five candidate compositions. Only one of these compositions was experimentally validated, resulting in a 2.4-fold increase in surfactin production. Finally, it was observed that the addition of n-hexane, in small concentrations, positively contributed to surfactin production.
Optimization of culture medium composition for surfactin production by Bacillus subtilis
Keywords: Surfactina; Bacillus subtilis; Vetor de oxigênio; Meio de cultura; Surfactin; Bacillus subtilis; Oxygen vector; Culture media