https://hdl.handle.net/1884/39813 ver Programa de Pós-Graduação em Processos Biotecnológicos 2026-04-15T04:33:33Z https://hdl.handle.net/1884/97979 Otimização biotecnológica de Kappaphycus alvarezii para a produção de bioetanol Resumo: A produção de bioetanol de terceira geração a partir da macroalga vermelha Kappaphycus alvarezii foi investigada através de uma abordagem integrada de biorrefinaria marinha. A caracterização da biomassa revelou composição favorável com 41,23% de carboidratos fermentescíveis, 19,29% de proteínas e ausência de lignina, facilitando significativamente os processos de conversão em comparação às biomassas lignocelulósicas terrestres. O processo de hidrólise ácida foi otimizado por um Delineamento Composto Central Circunscrito, identificando as condições ótimas de 126°C, 3% H SO e 15 minutos, que proporcionaram conversão próxima ao teórico máximo dos carboidratos totais em açúcares fermentescíveis (~41 g/L). Análises cromatográficas apontaram ausência de inibidores fermentativos como HMF, furfural ou ácido levulínico, eliminando a necessidade de etapas de detoxificação. Estudos de escalonamento revelaram limitações de transferência de massa, com redução significativa da eficiência de conversão. A estratégia fermentativa empregou co fermentação de Saccharomyces cerevisiae e Kluyveromyces marxianus adaptadas ao substrato hidrolisado da macroalga, rico em galactose. Esta abordagem sinérgica superou significativamente as fermentações individuais, alcançando 87,44% de eficiência de conversão, produção de 16,05 g/L de etanol e produtividade volumétrica de 0,167 g/L·h. O balanço de carbono demonstrou aproveitamento superior, com 50,90% do carbono convertido em etanol, 25,45% em CO e 11,37% de perdas não contabilizadas. Os resultados demonstram a viabilidade técnica de K. alvarezii como matéria-prima renovável para bioetanol de terceira geração, alinhando-se aos princípios da bioeconomia azul e economia circular, embora sejam necessárias otimizações de escalonamento para a aplicação industrial; Abstract: Third-generation bioethanol production from the red macroalga Kappaphycus alvarezii was investigated through an integrated marine biorefinery approach. Biomass characterization revealed favorable composition with 41.23% fermentable carbohydrates, 19.29% proteins, and absence of lignin, significantly facilitating conversion processes compared to terrestrial lignocellulosic biomasses. The acid hydrolysis process was optimized through a Central Composite Circumscribed Design, identifying optimal conditions of 126°C, 3% H SO , and 15 minutes, which provided conversion close to the theoretical maximum of total carbohydrates into fermentable sugars (~41 g/L). Chromatographic analyses indicated absence of fermentative inhibitors such as HMF, furfural, or levulinic acid, eliminating the need for detoxification steps. Scale-up studies revealed mass transfer limitations, with significant reduction in conversion efficiency. The fermentative strategy employed co-fermentation of Saccharomyces cerevisiae and Kluyveromyces marxianus adapted to the macroalga hydrolysate substrate, rich in galactose. This synergistic approach significantly outperformed individual fermentations, achieving 87.44% conversion efficiency, 16.05 g/L ethanol production, and volumetric productivity of 0.167 g/L·h. Carbon balance demonstrated superior utilization, with 50.90% of carbon converted to ethanol, 25.45% to CO , and 11.37% unaccounted losses. Results demonstrate the technical feasibility of K. alvarezii as renewable feedstock for third-generation bioethanol, aligning with blue bioeconomy and circular economy principles, although scale-up optimizations are required for industrial application. Orientadora: Profa. Dra. Adenise Lorenci Woiciechowski; Coorientador: Prof. Dr. Carlos Ricardo Soccol; Banca: Luciana Porto de Souza Vandenberghe (Presidente da Banca), Luiz Alberto Junior Letti, Arion Zandoná Filho e Susan Grace Karp; Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia. Defesa : Curitiba, 11/04/2025; Inclui referências 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/100359 Produção e purificação de ácido lático a partir de substratos alternativos Resumo: A importância comercial do ácido lático (AL) se deve à sua versatilidade de aplicação, muito apreciada na indústria de alimentos, e atualmente, por ser o precursor do ácido poli-lático (PLA). O PLA é um polímero derivado do AL, que chama a atenção pela sua ocorrência natural e características seguras de aplicabilidade, especialmente em relação ao meio ambiente. É um componente de bioplásticos e embalagens, cotado para substituir os plásticos sintéticos derivados do petróleo, colaborando com o esforço global em reduzir taxas de emissão de CO2. A demanda pela produção do PLA também decorre da evolução dos procedimentos estéticos e biomédicos, cujas aplicações vem crescendo nas duas últimas décadas. Logo, para se obter um PLA de qualidade, é imperativo um precursor (AL) de alta qualidade. Com isso, o processo de produção de AL e, consequentemente, de PLA apresenta alguns gargalos, relacionados ao custo do meio fermentativo, processo de recuperação e purificação do AL. O seu processo de produção é simples, o que possibilita o uso de substratos alternativos como o caldo de cana, e resíduos agro-industriais. Os substratos alternativos diminuem o custo do meio fermentativo e fornecem um ambiente favorável para a multiplicação celular das bactérias produtoras do AL (LAB). As LABs se adaptam bem aos substratos contendo açúcares simples ou dímeros, a exemplo da sacarose. Destaca-se a bactéria Lactobacillus pentosus, que apresenta grande potencial de produção de AL, porém, ainda é pouco explorada. Portanto, não se tem o conhecimento da produção de AL pela L. pentosus utilizando caldo de cana como substrato. Diante desse contexto, o presente trabalho teve como objetivo a produção do AL a partir de caldo de cana-de-açúcar, a qual é largamente produzida no país com altas concentrações em sacarose, e a proposição de método de purificação utilizando diferentes resinas de troca iônica em sistema de colunas e sistema agitado (frascos de Erlenmeyer em banho-maria com agitação orbital e tanque agitado). Realizou-se a cinética de produção de AL durante 168 horas com a cepa de L. pentosus, onde a produção de 113,74 g/L foi alcançada em 96 horas, com uma produtividade de 1,18 g AL/L.h. Dentre as técnicas e resinas utilizadas, a melhor técnica foi com o uso combinado das resinas Amberlite IR120 e IRA-67 em tanque com agitação, que promoveu a obtenção de uma concentração final de AL de 189,11 g/L após 120 minutos de contato com a amostra, com recuperação da massa de AL de 95%. Tal resultado demonstra uma maneira simplificada de utilizar as resinas de troca iônica, de modo seguro em ambiente controlado e com a possibilidade de uso em maiores escalas de produção. As resinas empregadas para a purificação de AL foram anteriormente pesquisadas. Por outro lado, não existem relatos que descrevem a sua utilização em tanque agitado. Este trabalho atingiu o objetivo de apresentar uma solução tecnológica para a produção e purificação de AL, para posterior polimerização em PLA, em processos escalonáveis.; Abstract: The commercial importance of lactic acid (LA) is due to its application versatility, much appreciated in the food industry, and currently, for being the precursor of poly-lactic acid (PLA). PLA is a polymer derived from LA, which draws attention for its natural occurrence and safe applicability characteristics, especially in relation to the environment. It is a component of bioplastics and packaging, tipped to replace synthetic plastics derived from petroleum, contributing to the global effort to reduce CO2 emission rates. The demand for PLA production also stems from the evolution of aesthetic and biomedical procedures, whose applications have been growing in the last two decades. Therefore, to obtain a quality PLA, a high-quality precursor (LA) is imperative. Thus, the production process of LA and, consequently, of PLA presents some bottlenecks, related to the cost of the fermentation medium, recovery process and purification of LA. Its production process is simple, which allows the use of alternative substrates such as the natural sugary drink from sugarcane juice, and agro-industrial biomass waste. Alternative substrates reduce the cost of the fermentation medium and provide a favorable environment for the cellular multiplication of LA-producing bacteria (LAB). LABs adapt well to substrates containing simple sugars or dimers, such as sucrose. The bacteria Lactobacillus pentosus stands out, which has great potential for LA production, however, it is still slightly explored. Therefore, the LA production by L. pentosus using sugarcane juice as substrate is not known. In this context, the present work aimed to produce LA from sugarcane juice, which is widely produced in the country with high concentrations of sucrose. Also, to propose a purification method using different ion exchange resins in a column system and agitated system (Erlenmeyer flasks in a water bath with orbital agitation and stirred tank). The kinetics of LA production was performed during 168 hours with the L. pentosus strain, where the production of 113.74 g/L was reached in 96 hours, with a productivity of 1.18 g LA/L.h. Among the techniques and resins used, the best technique was the combined use of Amberlite IR120 and IRA-67 resins in a stirred tank, which resulted in a final LA concentration of 189.11 g/L after 120 minutes in contact with the sample, with 95% LA mass recovery. This result demonstrates a simplified way to use ion exchange resins, safely in a controlled environment and with the feasibility of use in larger production scales. The resins used for the LA purification were previously investigated. On the other hand, there are no reports describing its use in stirred tanks. This work reached the objective of presenting a technological solution for the LA production and purification, for later polymerization in PLA, in scalable processes. Orientador: Prof.ª Dr.ª Luciana Porto de Souza Vandenberghe; Coorientador: Prof. Dr. Carlos Ricardo Soccol; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia. Defesa : Curitiba, 26/04/2022; Inclui referências 2022-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/100110 New approaches in the development of a platform for the selection of immunogenic antigens from Mycobacterium tuberculosis Resumo: A tuberculose (TB) continua sendo uma das principais doenças infecciosas no mundo, com 1,6 milhão de mortes estimadas em 2021. Como profilaxia, a única vacina licenciada e disponível é a BCG com alta cobertura e eficácia, evitando casos graves em crianças, porém apresentando alta variabilidade de proteção em adultos. Esses são acometidos principalmente pela forma pulmonar transmitida facilmente por meio de gotículas contendo o microrganismo. Estudos de novos antígenos e plataformas de vacinas têm sido investigadas em todo o mundo visando o combate à tuberculose humana. Esta pesquisa teve como objetivo investigar novos antígenos peptídicos para auxiliar no desenvolvimento de vacinas contra a tuberculose. Neste projeto foram identificados 14 peptídeos com potencial imunogênico através de duas abordagens de análises in silico focadas em epítopos para linfócitos T visando em reposta imunológica celular. Todos esses representando antígenos específicos de M. tuberculosis, ausentes na cepa da vacina BCG e propostos usando duas novas abordagens in silico cobrindo a apresentação de antígenos por MHC classe I e II em uma ampla população. Posteriormente, foi realizada a síntese química dos peptídeos com modificações na sequência e esses são solúveis em soluções aquosas. Os peptídeos foram investigados em imunoensaios sorológicos e formulados para avaliar suas respostas imunológicas inata in vitro e celular em experimentos in vivo. Em testes sorológicos, todos os 14 peptídeos apresentaram maiores resultados de interação com amostras sorológicas positivas de tuberculose do que com amostras negativas em ensaios ELISA. Quatro peptídeos (P.Mt.215771.23, P.Mt.Ag85B, P.Mt.EsxJ, e P.Mt.AlphaCristallin) foram destacados como promissores para aplicações em imunoensaios sorológicos. Formulações de lipossomas não tóxicas contendo o adjuvante MPLA e os peptídeos encapsulados foram capazes de induzir a ativação de macrófagos e desencadear uma resposta imune inata pró-inflamatória in vitro. As formulações contendo os peptídeos foram avaliadas in vivo no teste de hipersensibilidade tardia em porquinho-da-índia (Cavia porcellus). Todas as formulações de peptídeos foram capazes de provocar resposta imune celular in vivo. Duas formulações foram destacadas como promissoras para a aplicação do teste cutâneo DTH. Foi proposta a sequência de uma proteína quimérica composta por todas as 14 sequências peptídicas selecionadas inseridas em regiões não antigênicas de uma conhecida proteína imunogênica capaz de ser expressa em diferentes plataformas vacinais. Futuros estudos in vivo poderão validar as formulações de pool de peptídeos e o antígeno proteico quimérico aplicado a diferentes plataformas de vacinas.; Abstract: Tuberculosis (TB) remains one of the major infectious diseases worldwide, with an estimated 1.6 million deaths in 2021. As prophylaxis, the only licensed and available vaccine is BCG with high coverage and efficacy, preventing severe cases in children but showing high variability of protection in adults. They are mainly affected by the pulmonary form transmitted easily through droplets containing the microorganism. Studies on new antigens and vaccine platforms have been investigated worldwide to combat human tuberculosis. This research aimed to investigate new peptide antigens to assist in the development of vaccines against tuberculosis. In this project, 14 peptides with immunogenic potential were identified using two in silico analysis approaches focused on T-cell epitopes to target cellular immune response. All of these represent specific M. tuberculosis antigens, absent in the BCG vaccine strain, and proposed using two new in silico approaches covering antigen presentation by MHC class I and II in a broad population. Subsequently, chemical synthesis of the peptides with modifications in the sequence was performed, and they are soluble in aqueous solutions. The peptides were investigated in serological immunoassays and formulated to evaluate their innate in vitro and cellular immune responses in vivo. In serological tests, all 14 peptides showed higher interaction results with positive tuberculosis serological samples than negative samples in ELISA assays. Four peptides (P.Mt.215771.23, P.Mt.Ag85B, P.Mt.EsxJ, and P.Mt.AlphaCristallin) were highlighted as promising for applications in serological immunoassays. Non-toxic liposome formulations containing the MPLA adjuvant and encapsulated peptides were able to induce macrophage activation and trigger an in vitro pro-inflammatory innate immune response. Formulations containing the peptides were evaluated in vivo in the delayed hypersensitivity test in guinea pigs (Cavia porcellus). All peptide formulations were able to elicit an in vivo cellular immune response. Two formulations were highlighted as promising for the application of the DTH skin test. The sequence of a chimeric protein composed of all 14 selected peptide sequences inserted into non-antigenic regions of a known immunogenic protein capable of being expressed in different vaccine platforms was proposed. Future in vivo studies may validate peptide pool formulations and the chimeric protein antigen applied to different vaccine platforms. Orientadora: Profa. Dra. Vanete Thomaz Soccol; Coorientador: Prof. Dr. Carlos Ricardo Soccol; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia. Defesa : Curitiba, 31/05/2023; Inclui referências 2023-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98343 Remediação de glifosato a partir de microalgas e biochar do caroço de açaí Resumo: A produção de alimentos impulsionada pelo crescimento da população tornou a agricultura dependente do uso de agrotóxicos. Esse crescimento foi simultâneo a poluição dos recursos hídricos, principalmente devido ao uso intensivo e por vezes inadequado dos pesticidas. O glifosato é o herbicida mais utilizado no mundo, logo, faz-se necessário desenvolver tecnologias para minimizar os impactos negativos deste agrotóxico. O biochar e as microalgas apresentam potencial para remoção deste poluente. Com isso, o objetivo deste trabalho foi avaliar a capacidade de remediação do glifosato utilizando adsorvente de caroço de açaí e a biodegradação do herbicida por Synechococcus nidulans LEB 115 e Scenedesmus obliquus LEB 117. O biochar do caroço de açaí foi obtido por pirólise (1 h e 700 °C). Os adsorventes produzidos (biochar de caroço de açaí e biochar do caroço de açaí com Fe) foram analisados na remoção de glifosato. Ensaios de adsorção em batelada foram realizados para investigar o efeito do pH (3,0 a 9,0), dosagem de adsorvente (0,25 a 10 g L-1), concentração de glifosato (0 a 220 mg L-1), tempo de contato (0 a 90 min) e temperatura (25 a 45 °C) sobre a capacidade de adsorção, cinética, parâmetros isotérmicos e termodinâmicos. A reutilização do biochar foi avaliada por 5 ciclos. Cultivos microalgais também foram testados quanto a capacidade de remoção de glifosato. S. nidulans LEB 115 e S. obliquus LEB 117 foram analisadas com 4, 8 e 12 mg L-1 de glifosato em meio BG-11 por 15 d. Além disso, consórcios microalgais foram realizados com adição de 4 mg L-1 de glifosato. Ao final do cultivo, a biomassa foi coletada para determinação da composição bioquímica e o sobrenadante foi utilizado para determinação residual de glifosato e ácido aminometilfosfônico (AMPA). O biochar impregnado com ferro apresentou maior eficiência de adsorção (87,9%) em relação ao adsorvente puro, sendo reutilizado com boa eficiência por até 5 ciclos. O modelo de pseudoprimeira ordem foi mais apropriado para descrever a cinética de adsorção. As isotermas de equilíbrio de adsorção foram melhor ajustadas ao modelo de Langmuir. A capacidade máxima de adsorção foi 96 mg g-1 (25 °C). O estudo termodinâmico foi espontâneo, favorável e exotérmico. Os cultivos microalgais demonstraram resistência em até 12 mg L-1 de glifosato, com produção máxima de biomassa de S. nidulans LEB 115 (0,68 g L-1) e S. obliquus LEB 117 (1,11 g L-1). Entretanto, maiores eficiências de biodegradação ocorreram em 4 mg L-1 de glifosato (35,3% para S. nidulans LEB 115 e 28,5% para S. obliquus LEB 117). S. obliquus LEB 117 apresentou menor produção de AMPA (0,01 mg L-1) e maior potencial para ser utilizada na produção de biocombustíveis (41,2% carboidratos e 21,0% lipídios). A utilização de consórcios não influenciou nos processos de biodegradação. Dessa forma, os resultados deste estudo indicam que S. obliquus LEB 117 pode crescer utilizando glifosato como fonte de nutriente, realizando a biorremediação e sendo fonte sustentável para a produção de biocombustíveis e outros bioprodutos, sem gerar poluição secundária pela formação de AMPA.; Abstract: The production of food driven by population growth has made agriculture dependent on pesticide use. This growth has occurred simultaneously with water resource pollution, mainly due to the intensive and sometimes inappropriate use of pesticides. Glyphosate is the most widely used herbicide in the world, hence the need to develop technologies to minimize its negative impacts. Biochar and microalgae have the potential for removing this pollutant. Therefore, the objective of this work was to evaluate the remediation capacity of glyphosate using açai seed biochar as an adsorbent and the herbicide biodegradation by Synechococcus nidulans LEB 115 and Scenedesmus obliquus LEB 117. The açai seed biochar was obtained by pyrolysis (1 h and 700 °C). The produced adsorbents (açai seed biochar and açai seed biochar with Fe) were analyzed for glyphosate removal. Batch adsorption assays were performed to investigate the effect of pH (3.0 to 9.0), adsorbent dosage (0.25 to 10 g L-1), glyphosate concentration (0 to 220 mg L-1), contact time (0 to 90 min), and temperature (25 to 45 °C) on adsorption capacity, kinetics, isotherm, and thermodynamic parameters. Biochar reusability was evaluated for up to 5 cycles. Microalgal cultures were also tested for glyphosate removal capacity. S. nidulans LEB 115 and S. obliquus LEB 117 were analyzed with 4, 8, and 12 mg L-1 of glyphosate in BG-11 medium for 15 days. Additionally, microalgal consortia were conducted with the addition of 4 mg L-1 glyphosate. At the end of the cultivation, biomass was collected for biochemical composition determination, and the supernatant was used for residual glyphosate and aminomethylphosphonic acid (AMPA) determination. Iron-impregnated biochar showed higher adsorption efficiency (87.9%) compared to the pure adsorbent and was efficiently reused for up to 5 cycles. The pseudo-first order model was more appropriate to describe the adsorption kinetics. The adsorption equilibrium isotherms were best fitted by the Langmuir model, with a maximum adsorption capacity of 96 mg g-1 (25 °C). The thermodynamic study indicated a spontaneous, favorable, and exothermic process. Microalgal cultures showed resistance up to 12 mg L-1 of glyphosate, with the maximum biomass production for S. nidulans LEB 115 (0.68 g L-1) and S. obliquus LEB 117 (1.11 g L-1). However, higher biodegradation efficiencies occurred at 4 mg L-1 of glyphosate (35.3% for S. nidulans LEB 115 and 28.5% for S. obliquus LEB 117). S. obliquus LEB 117 exhibited lower AMPA production (0.01 mg L-1) and greater potential for use in biofuel production (41.2% carbohydrates and 21.0% lipids). The use of consortia did not influence the biodegradation processes. Thus, the results of this study indicate that S. obliquus LEB 117 can grow using glyphosate as a nutrient source, performing bioremediation and being a sustainable source for biofuel production, without generating secondary pollution through AMPA formation. Orientador: Prof. Dr. Jorge Alberto Vieira Costa; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia. Defesa : Curitiba, 08/08/2023; Inclui referências 2023-01-01T00:00:00Z