Aplicabilidade de modelos cinéticos para modelagem matemática de cultivo em batelada de Bacillus firmus (Cepa 37) na produção de ciclomaltodextrina glucanotransferase (CGTase)

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Calderaro, Fernando Pereira
Data de Publicação: 2012
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Estadual de Maringá (RI-UEM)
Texto Completo: http://repositorio.uem.br:8080/jspui/handle/1/7262
Resumo: Orientador: Prof.ª Dr.ª Gisella Maria Zanin
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spelling Aplicabilidade de modelos cinéticos para modelagem matemática de cultivo em batelada de Bacillus firmus (Cepa 37) na produção de ciclomaltodextrina glucanotransferase (CGTase)Bacillus firmus - Produção CGTaseEquações cinéticas - ModelagemProdução CGTase - Cultivo em batelada660.634EngenhariasEngenharia QuímicaOrientador: Prof.ª Dr.ª Gisella Maria ZaninCoorientador: Prof. Dr. José Eduardo OlivoDissertação (mestrado em Engenharia Química) - Universidade Estadual de Maringá, 2012RESUMO: Este trabalho teve como objetivo avaliar a aplicabilidade de modelos cinéticos clássicos na produção da enzima Ciclomaltodextrina-Glucanotransferase (CGTase) produzida em processo de batelada por Bacillus firmus da CEPA 37. A finalidade de se estudar a aplicação dos modelos cinéticos na produção da enzima CGTase é poder utilizar a modelagem matemática como uma ferramenta para otimização do processo de produção da referida enzima e também permitir a simulação de novas situações de produção sem envolver gastos de reagentes e tempo despendido em laboratório. Os dados utilizados neste trabalho foram extraídos da dissertação de mestrado de Marques (2004) e do trabalho de iniciação científica de Calderaro (2007), que avaliaram diversas condições experimentais de cultivo de Bacillus firmus (CEPA 37) na produção de CGTase. O trabalho consistiu em avaliar a aplicação de modelos cinéticos através de um algoritmo de resolução de equações diferenciais escrito no software MATLAB® que foi elaborado para resolver um sistema de três equações diferenciais, sendo a que representa a taxa de crescimento celular, dX/dt, a que representa a taxa de formação de produto expressa em atividade enzimática, dP/dt (ou dA/dt) e a que representa a taxa de consumo de substrato, dS/dt. Dentro destas equações diferenciais foram substituídos os modelos cinéticos abordados, sendo utilizados os modelos de Monod (1949), Aiba et al (1968) e Andrews (1968). Foram então desenvolvidos quatro sistemas de equações diferenciais, o primeiro que envolveu a representação do crescimento celular por Monod (1949), da atividade enzimática por Aiba et al (1968) e do consumo de substrato como a relação entre o crescimento celular e a atividade enzimática observada. O segundo sistema de equações diferenciais envolveu a representação do crescimento celular também por Monod (1949), a representação da atividade enzimática por Andrews (1968) e o consumo de substrato como a relação entre o crescimento celular e a atividade enzimática observada. No sistema três, tanto para o crescimento celular quanto para a atividade enzimática considerou-se que seus comportamentos respeitavam a equação cinética de Aiba et al (1968) e o consumo de substrato se manteve a relação entre o crescimento celular e da atividade enzimática. No sistema quatro, o crescimento celular e a atividade enzimática foram considerados como respeitando a equação cinética de Andrews (1968) a do vi consumo de substrato se manteve como a relação entre o crescimento celular e a atividade enzimática. Foram analisados também os comportamentos das curvas de velocidades específicas de crescimento celular (µX), de consumo de substrato (µS) e de atividade enzimática (µA) em função do tempo, com o objetivo de verificar alguma relação entre as três curvas de velocidades específicas e tentar classificar a produção de CGTase por Bacillus firmus CEPA 37 como produção de enzima associada ou não ao crescimento celular. Observou-se para alguns meios de cultura uma relação entre as velocidades específicas de consumo de substrato (µS) e de atividade enzimática (µA), caracterizado pela atividade amilolítica da enzima CGTase, mas não se pôde afirmar que a produção da enzima está associada ao crescimento do Bacillus firmus CEPA 37 nas condições estudadas. Outra observação realizada foi a relação de Luedeking e Piret (1959), entre a velocidade específica de formação de produto (µA) e a velocidade específica de crescimento celular (µX), através da elaboração dos gráficos para cada meio de cultura, em que a velocidade específica de atividade enzimática (µA) compôs o eixo y e a velocidade específica de crescimento celular (µX) compôs o eixo x. Para as concentrações de amido utilizadas nos meios de cultura estudados (maior do que 10g/L), não se observou uma relação linear entre as velocidades específicas de atividade enzimática (µA) e de crescimento celular (µX), não sendo possível aplicar a relação de Luedeking e Piret (1959) no estudo dos modelos cinéticos. Para a maior parte dos meios estudados, o modelo Aiba et al (1968) não apresentou nenhum resultado, sendo difícil a resolução do sistema de equações nas condições estudadas, já a combinação de modelos Monod-Aiba apresentou resultados semelhantes, graficamente, à combinação Monod-Andrews, e o modelo de Andrews (1968) apresentou bons resultados para praticamente todos os meios, porém, nenhuma das equações cinéticas estudadas foi suficiente para ajustar os três conjuntos de dados simultaneamente. Por este motivo, para a produção de CGTase por Bacillus firmus CEPA 37, nas condições estudadas, é necessário se manipular as equações cinéticas existente ou se desenvolver novas equações cinéticas que permitam representar adequadamente este processo fermentativoABSTRACT: 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 appropriately135 f. : il. (algumas color.), tabs.Universidade Estadual de MaringáDepartamento de Engenharia QuímicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaMaringá, PRCentro de TecnologiaZanin, Gisella MariaCarvalho, Esdras Penêdo deMoraes, Flávio Faria deCalderaro, Fernando Pereira2023-12-08T19:07:52Z2023-12-08T19:07:52Z2012info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfCALDERARO, Fernando Pereira. Aplicabilidade de modelos cinéticos para modelagem matemática de cultivo em batelada de Bacillus firmus (Cepa 37) na produção de ciclomaltodextrina glucanotransferase (CGTase). 2012. 135 f. Dissertação (mestrado em Engenharia Química) - Universidade Estadual de Maringá, 2012, Maringá, PR.http://repositorio.uem.br:8080/jspui/handle/1/7262info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Estadual de Maringá (RI-UEM)instname:Universidade Estadual de Maringá (UEM)instacron:UEM2023-12-08T19:16:31Zoai:localhost:1/7262Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.uem.br:8080/oai/requestopendoar:2024-04-23T15:00:17.867620Repositório Institucional da Universidade Estadual de Maringá (RI-UEM) - Universidade Estadual de Maringá (UEM)false
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