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Consultar: Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica

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Ttulo [PT]: Aplicabilidade de modelos cinticos para modelagem matemtica de cultivo em batelada de Bacillus firmus (Cepa 37) na produo de ciclomaltodextrina glucanotransferase (CGTase)
Autor(es): Fernando Pereira Calderaro
Palavras-chave [PT]:

Bacillus firmus. Produo CGTase. Equaes cinticas. Modelagem. Cultivo em batelada. Brasil.
Palavras-chave [EN]:
CGTase. Bacillus firmus. Kinetic equations.Modeling. Batch. Brazil.
rea de concentrao: Desenvolvimento de Processos
Titulao: Mestre em Engenharia Qumica
Banca:
Gisella Maria Zanin [Orientador] - UEM
Jos Eduardo Olivo - UEM
Esdras Pendo de Carvalho - UEM
Flvio Faria de Moraes - UEM
Resumo:
Resumo: Este trabalho teve como objetivo avaliar a aplicabilidade de modelos cinticos clssicos na produo da enzima Ciclomaltodextrina-Glucanotransferase (CGTase) produzida em processo de batelada por Bacillus firmus da CEPA 37. A finalidade de se estudar a aplicao dos modelos cinticos na produo da enzima CGTase poder utilizar a modelagem matemtica como uma ferramenta para otimizao do processo de produo da referida enzima e tambm permitir a simulao de novas situaes de produo sem envolver gastos de reagentes e tempo despendido em laboratrio. Os dados utilizados neste trabalho foram extrados da dissertao de mestrado de Marques (2004) e do trabalho de iniciao cientfica de Calderaro (2007), que avaliaram diversas condies experimentais de cultivo de Bacillus firmus (CEPA 37) na produo de CGTase. O trabalho consistiu em avaliar a aplicao de modelos cinticos atravs de um algoritmo de resoluo de equaes diferenciais escrito no software MATLAB que foi elaborado para resolver um sistema de trs equaes diferenciais, sendo a que representa a taxa de crescimento celular, dX/dt, a que representa a taxa de formao de produto expressa em atividade enzimtica, dP/dt (ou dA/dt) e a que representa a taxa de consumo de substrato, dS/dt. Dentro destas equaes diferenciais foram substitudos os modelos cinticos abordados, sendo utilizados os modelos de Monod (1949), Aiba et al (1968) e Andrews (1968). Foram ento desenvolvidos quatro sistemas de equaes diferenciais, o primeiro que envolveu a representao do crescimento celular por Monod (1949), da atividade enzimtica por Aiba et al (1968) e do consumo de substrato como a relao entre o crescimento celular e a atividade enzimtica observada. O segundo sistema de equaes diferenciais envolveu a representao do crescimento celular tambm por Monod (1949), a representao da atividade enzimtica por Andrews (1968) e o consumo de substrato como a relao entre o crescimento celular e a atividade enzimtica observada. No sistema trs, tanto para o crescimento celular quanto para a atividade enzimtica considerou-se que seus comportamentos respeitavam a equao cintica de Aiba et al (1968) e o consumo de substrato se manteve a relao entre o crescimento celular e da atividade enzimtica. No sistema quatro, o crescimento celular e a atividade enzimtica foram considerados como respeitando a equao cintica de Andrews (1968) a do vi consumo de substrato se manteve como a relao entre o crescimento celular e a atividade enzimtica. Foram analisados tambm os comportamentos das curvas de velocidades especficas de crescimento celular (μX), de consumo de substrato (μS) e de atividade enzimtica (μA) em funo do tempo, com o objetivo de verificar alguma relao entre as trs curvas de velocidades especficas e tentar classificar a produo de CGTase por Bacillus firmus CEPA 37 como produo de enzima associada ou no ao crescimento celular. Observou-se para alguns meios de cultura uma relao entre as velocidades especficas de consumo de substrato (μS) e de atividade enzimtica (μA), caracterizado pela atividade amiloltica da enzima CGTase, mas no se pde afirmar que a produo da enzima est associada ao crescimento do Bacillus firmus CEPA 37 nas condies estudadas. Outra observao realizada foi a relao de Luedeking e Piret (1959), entre a velocidade especfica de formao de produto (μA) e a velocidade especfica de crescimento celular (μX), atravs da elaborao dos grficos para cada meio de cultura, em que a velocidade especfica de atividade enzimtica (μA) comps o eixo y e a velocidade especfica de crescimento celular (μX) comps o eixo x. Para as concentraes de amido utilizadas nos meios de cultura estudados (maior do que 10g/L), no se observou uma relao linear entre as velocidades especficas de atividade enzimtica (μA) e de crescimento celular (μX), no sendo possvel aplicar a relao de Luedeking e Piret (1959) no estudo dos modelos cinticos. Para a maior parte dos meios estudados, o modelo Aiba et al (1968) no apresentou nenhum resultado, sendo difcil a resoluo do sistema de equaes nas condies estudadas, j a combinao de modelos Monod-Aiba apresentou resultados semelhantes, graficamente, combinao Monod-Andrews, e o modelo de Andrews (1968) apresentou bons resultados para praticamente todos os meios, porm, nenhuma das equaes cinticas estudadas foi suficiente para ajustar os trs conjuntos de dados simultaneamente. Por este motivo, para a produo de CGTase por Bacillus firmus CEPA 37, nas condies estudadas, necessrio se manipular as equaes cinticas existente ou se desenvolver novas equaes cinticas que permitam representar adequadamente este processo fermentativo.

Abstract: This work had as objective evaluates the applicability of the classical kinetic models in the production of the enzyme Ciclomaltodextrin-Glucanotransferase (CGTase) produced in a batch process by Bacillus firmus STRAIN 37. The purpose of studying the application of the kinetic models in the production of the enzyme CGTase is to use the mathematical modeling as a tool for optimization of the process of production of the referred enzyme and also allow the simulation of new production situations without involving expenses of and time spent at laboratory. The data used in this work were extracted of the dissertations of master's degree of Marques (2004) and of the work of scientific initiation of Calderaro (2007), that evaluate several experimental conditions of cultivation of Bacillus firmus (STRAIN 37) in the production of CGTase. The work consisted in evaluating the application of kinetic models through an algorithm of resolution of differential equations written in the software MATLAB that was elaborated to solve a system of three differential equations, being the one that represents the tax of cellular growth, dX/dt, the one that represents the tax of expressed product formation in enzymatic activity, dP/dt (or dA/dt) and the one that represents the tax of substrate consumption, dS/dt. Inside of this differential equations the approached kinetic models were substituted, being used models of Monod (1949), the Aiba et al (1968) and the Andrews (1968). They were then developed four systems of differential equations, the first that it involved the representation of the cellular growth for Monod (1949), of the enzymatic activity for Aiba et al (1968) and of the substrate consumption as the relationship between the cellular growth and the observed enzymatic activity. The second system of differential equations involved the representation of the cellular growth also for Monod (1949), the representation of the enzymatic activity for Andrews (1968) and the substrate consumption as the relationship between the cellular growth and the observed enzymatic activity. In the system three, so much for the cellular growth as for the enzymatic activity it was considered that their behaviors respected the kinetic equation of Aiba et al (1968) and the substrate consumption stayed the relationship between the cellular growth and of the enzymatic activity. In the system four, the cellular growth and enzymatic activity they were considered as respecting the kinetic equation of Andrews (1968) to the substrate consumption stayed the relationship between the cellular growth and the enzymatic activity. Were they also analyzed the behaviors of the curves of specific rate of cellular growth (μX), substrate consumption (μS) and enzymatic activity (μA) in function of the time, with the objective of verify some relationship among the three curves of specific rate and try to classify the production of CGTase by Bacillus firmus STRAIN 37 how production of associated enzyme or not to the cellular growth. Was it observed for some culture means a relationship among the specific rates of substrate consumption (μS) and of enzymatic activity (μA), done characterize by the amylolytic activity of the enzyme CGTase, but could not one affirm that the production of the enzyme is associated to the growth of the Bacillus firmus STRAIN 37 in the studied conditions. Was another accomplished observation the relationship of Luedeking and Piret (1959) among the specific rate of product formation (μA) and the specific rate of cellular growth (μX), through the elaboration of the graphs for each medium, in what the specific rate of enzymatic activity (μA) did it composes the axis "y" and the specific rate of cellular growth (μX) did it composes the axis "x". For the concentrations of starch used in the culture mediums studied (larger of the than 10g/L), was not a lineal relationship observed between the specific rate of enzymatic activity (μA) and of cellular growth (μX), not being possible to apply the relationship of Luedeking and Piret (1959) in the study of the kinetic models. For most studied mediums, the model Aiba et al (1949) didn't present any result, being difficult the resolution of the system of equations in the studied conditions, already the combination Monod-Aiba presented similar results, graphically, that the combination Monod-Andrews, and the model of Andrews (1968) presented good results for practically all of the mediums, none of the studied kinetic equations was enough to adjust the three groups of given simultaneously. For this reason, for the production of CGTase for Bacillus firmus STRAIN 37, in the studied conditions, it's necessary to manipulates the existent kinetic equations or to develop new kinetic equations to allow to represent this fermentative process appropriately.
Data da defesa: 10/02/2012
Cdigo: vtls000222815
Informaes adicionais:
Idioma: Portugus
Data de Publicao: 2012
Local de Publicao: Maring, PR
Orientador: Prof. Dr. Gisella Maria Zanin
Co-Orientador: Prof. Dr. Jos Eduardo Olivo
Instituio: Universidade Estadual de Maring. Centro de Tecnologia. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica
Nvel: Dissertao (mestrado em Engenharia Qumica)
UEM: Departamento de Engenharia Qumica

Responsavel: elaine
Categoria: Aplicao
Formato: Documento PDF
Arquivo: Dissertao Fernando P. Calderaro - FINAL.pdf
Tamanho: 4429 Kb (4535801 bytes)
Criado: 13-07-2016 08:20
Atualizado: 13-07-2016 08:28
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