Estudo da velocidade de agitação na produção de Riboflavina por Bacillus subtilis em biorreator mecanicamente agitado e aerado

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Data

2021-06-10

Autores

Picão, Bruno Willian

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Editor

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

A Riboflavina (RF) também denominada como vitamina B2, têm sido amplamente utilizados nas indústrias alimentícia e farmacêutica, por ser um componente essencial do metabolismo básico, sendo um precursor de coenzimas flavina adenina dinucleotídeo (FAD) e flavina mononucleotídeo (FMN). A produção comercial de RF é baseada no cultivo microbiano, atualmente a biossíntese de RF tem sido bastante estudada na bactéria Bacillus subtilis devido a sua alta capacidade de secretar proteínas diretamente no meio de cultivo em curto período de tempo, tornando-se um modelo entre as cepas industriais produtoras de RF. Em bioprocessos aeróbicos o transporte de oxigênio é o mais importante processo de transferência de massa gás-líquido a ser considerado no projeto de bioprocessos, podendo afetar o crescimento celular e a formação do produto. Neste trabalho, os efeitos da velocidade de agitação sobre o desempenho da produção de RF por Bacillus subtilis foram investigados em um cultivo em modo batelada em um biorreator mecanicamente agitado e aerado (STR). Os cultivos realizados durante o estudo apresentaram um perfil de redução na concentração de biomassa total juntamente com a diminuição da agitação, demonstrando uma relação direta entre a taxa de agitação operada com a expressão celular. Já a produtividade da RF não acompanhou a taxa de formação de biomassa de forma proporcional, indicando que o aumento na taxa de transferência de oxigênio gerada pelo aumento da agitação faz com que o microrganismo priorize o crescimento celular em detrimento da produção de RF. Indo de acordo com a literatura que relata que taxas de maior transferência de oxigênio o fluxo do consumo da fonte de carbono na rota metabólica é maior pela via Pentose Fosfato (PP), o que contribui para a alta taxa de crescimento, visto que ela oferece precursores para a biossíntese de nucleotídeos e aminoácidos essenciais para o crescimento celular, em contra partida, outra parte importante da rota metabólica na produção de RF é o metabolismo de Purinas que possui uma melhor eficiência em baixas taxas de transferência de oxigênio, sendo um ponto de equilíbrio na transferência de oxigênio de modo que não esteja em excesso nem escasso. Dentre as velocidades de agitação estudadas, o cultivo operado em 300 rpm foi mais o mais favorável para a biossíntese de RF, apesar de apresentar uma redução na velocidade de crescimento celular em comparação com os cultivos operados a 400 e 800 rpm. A concentração máxima de RF atingida foi de 2,151 g/L em 48 h com o rendimento Yp/s em média de 0,0242 g/g.
Riboflavin (RF), also called vitamin B2, has been widely used in the food and pharmaceutical industries, as it is an essential component of basic metabolism, being a precursor to the coenzymes flavin adenine dinucleotide (FAD) and flavin mononucleotide (FMN). The commercial production of Riboflavin is based on microbial fermentation, currently a biosynthesis of Riboflavin has been extensively studied in the bacterium Bacillus subtilis due to its high capacity to secrete protein directly into the culture medium in a short period of time, becoming a model among industrial strains producing Riboflavin. In aerobic bioprocesses, oxygen transport is the most important gas-liquid mass transfer process to be considered in the bioprocess project, which can affect cell growth and product formation. In this work, the effects of agitation speed on the performance of Riboflavin production by Bacillus subtilis were investigated in batch model cultivation in a mechanically agitated and aerated Bioreactor (STR). The cultures performed during the study showed a profile of reduction in the concentration of total biomass together with the reduction of preparation, demonstrating a direct relationship between the rate of preparation operated with cell expression. RF productivity, on the other hand, did not follow the rate of biomass formation proportionally, indicating that the increase in oxygen transfer rate generated by increased production makes the microorganism prioritize cell growth over RF production. Going according to the literature that reports that higher oxygen transfer rates or flow of consumption of the carbon source in the metabolic route is higher through the Pentose Phosphate pathway (PP), which contributes to the high growth rate, since it offers precursors for a biosynthesis of nucleotides and amino acids essential for cell growth, on the other hand, another important part of the metabolic route in RF production is the Purine metabolism, which has a better efficiency at low oxygen transfer rates, being a balance point in the transfer of oxygen so that it is neither too much nor too little. Among the studied parameters, the cultivation operated at 300 rpm was the most favorable for a riboflavin biosynthesis, despite presenting a reduction in the speed of cell growth compared to the cultures operated at 400 and 800 rpm. The maximum concentration of riboflavin reached was 2,151 g/L in 48 h with a Yp/s yield on average of 0,0242 g/g.

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Palavras-chave

Bacillus subtilis, Biorreator, Operação em Batelada, Riboflavina, Riboflavin, Bacillus subtilis, Bioreactor, Batch Operation

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