https://hdl.handle.net/1884/39813 ver Programa de Pós-Graduação em Processos Biotecnológicos Tue, 05 May 2026 14:24:02 GMT 2026-05-05T14:24:02Z https://hdl.handle.net/1884/101815 Optimization in the production and purification of fungal glucoamylase from the fungus Aspergillus oryzae 1808 for its potential application in the pretreatment of milled corn for conversion into bioethanol Resumo: Os biocombustíveis, como o bioetanol, destacam-se como alternativas sustentáveisaos combustíveis fósseis, por serem menos poluentes e derivados de fontes renováveis. Aprodução de bioetanol a partir de matérias primas amiláceas, como o milho, tem ganhadodestaque, especialmente por meio da hidrólise enzimática do amido presente nesses produtos.Nesse processo, enzimas como as alfa-amilases e glucoamilases desempenham um papelcrucial, catalisando a quebra do amido em moléculas menores, como a glicose, queposteriormente é fermentada para a produção de bioetanol. Além dessas, outras enzimas,como xilanases, celulases e lipases, também são amplamente utilizadas no tratamento debiomassa para a produção de biocombustíveis. As glucoamilases, em especial, são enzimasresponsáveis por catalisar a conversão de oligossacarídeos e dissacarídeos provenientes dahidrólise de compostos amiláceos anteriores em moléculas de glicose. O Brasil, um dosprincipais produtores de milho do mundo, desempenha um papel importante, gerando umagrande quantidade de produtos amiláceos que poderiam ser aproveitados. O principalobjetivo desta pesquisa foi a otimização da produção de glucoamilases fúngicas utilizando omilho moído como substrato, além de avaliar seu potencial hidrolítico para produzir glicose.Este trabalho foi dividido em duas partes; a primeira foi uma revisão bibliográfica focada nasdiferentes enzimas que são utilizadas para a produção de biocombustíveis e o efeito que ospré-tratamentos podem ter sobre a matéria orgânica produtora de biocombustíveis. A segundacontém ensaios experimentais buscando a otimização na produção e recuperação de umaglucoamilase proveniente do fungo Aspergillus oryzae LPB1808. Depois de analisar os dadosobtidos, foi possível produzir uma glucoamilase usando o fungo Aspergillus oryzaeLPB1808, em uma fermentação submersa (SmF), utilizando produtos agroindustriais (milhomoido), e foi possível identificar uma ß-glucoamilase com um peso molecular de 60-65 kDa.Após a concentração e pré-purificação por meio de micro e ultrafiltração, foi alcançada umaatividade final de 47,62 U/mL. Além disso, a enzima purificada conseguiu hidrolisar o milhomoído, produzindo 0,232 g de glicose por grama de milho moído, indicando que a enzimafúngica apresenta um rendimento de 43,44% em comparação com a versão comercial.; Abstract: Biofuels, such as bioethanol, are emerging as sustainable alternatives to fossil fuelsdue to their lower environmental impact and their derivation from renewable sources. Theproduction of bioethanol from starch-based raw materials, such as corn, has gainedconsiderable attention, particularly through the enzymatic hydrolysis of starch present inthese products. In this process, enzymes such as alpha-amylases and glucoamylases play acrucial role by catalyzing the breakdown of starch into smaller molecules, such as glucose,which is subsequently fermented for bioethanol production. In addition to these enzymes,others such as xylanases, cellulases, and lipases are also widely employed in biomasstreatment for biofuel production. Glucoamylases, in particular, are responsible for catalyzingthe conversion of oligosaccharides and disaccharides derived from the hydrolysis of starchbasedcompounds into glucose molecules. Brazil, one of the leading corn producers globally,plays an important role by generating a significant amount of starch-based products that couldbe utilized. The main objective of this research was to optimize the production of fungalglucoamylases using ground corn as a substrate, as well as to evaluate its hydrolytic potentialfor glucose production. This work was divided into two parts; the first was a literature reviewfocused on the various enzymes used for biofuel production and the effect that pretreatmentscan have on biomass, which is crucial for biofuel generation. The second part involvedexperimental assays aiming to optimize the production and recovery of a glucoamylasederived from the fungus Aspergillus oryzae LPB1808. After analyzing the obtained data, itwas possible to produce glucoamylase using Aspergillus oryzae LPB1808 in submergedfermentation (SmF), utilizing agro-industrial products (milled corn), and a ß-glucoamylasewith a molecular weight of 60-65 kDa was identified. After concentration and prepurificationvia micro and ultrafiltration, a final activity of 47.62 U/mL was achieved.Furthermore, the purified enzyme was able to hydrolyze the milled corn, producing 0.232 gof glucose per gram of milled corn, indicating that the fungal enzyme exhibits an efficiencyof 43.44% compared to the commercial version. Orientador: Prof. Dr. Luiz Alberto Junior Letti; Coorientadora: Profa. Dra. Luciana Porto de Souza Vandenberghe; Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia. Defesa : Curitiba, 28/02/2025; Inclui referências Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/101815 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/101813 The potential use of fructophilic acid lactic bacteria to improve cocoa beans fermentation : isolation, selection and evaluation Resumo: No processamento pós-colheita de cacau, a fermentação é uma etapa essencialna formação de cor, sabor e aroma das amêndoas. Durante este processo, microrganismospresentes no ambiente consomem os açúcares da polpa de cacau, facilitando o processode secagem das sementes. Devido à natureza glucofílica dos microrganismos, a glicose éconsumida rapidamente e altos níveis de frutose residual são geralmente observados. Issoacarreta um processo de secagem ineficiente, além de servir como açúcar residual para ocrescimento de microrganismos indesejáveis. As bactérias ácido-láticas frutofílicas sãometabolicamente caracterizadas por preferirem frutose à glicose como fonte de carbono.Neste contexto, este trabalho teve como objetivo isolar, selecionar e avaliar o potencialde bactérias ácido-láticas frutofílicas para otimizar o consumo de açúcares e formação demetabólitos durante a etapa de fermentação de cacau. Na primeira etapa do estudo,fermentações de cacau em escala laboratorial foram avaliadas quanto à presença ediversidade de bactérias ácido-láticas por sequenciamento de nova geração (IlluminaMiSeq), indicando a presença de potenciais bactérias frutofílicas pertencentes aos gênerosFructobacillus e Lactobacillus. Um total de 80 cepas microbianas com rápido consumode frutose foram isoladas e identificadas por métodos moleculares. Dez cepasidentificadas como Lactobacillus plantarum foram caracterizadas como "bactériasfrutofílicas facultativas" a partir do perfil de consumo de diferentes açúcares.Lactobacillus plantarum LPBF35 foi finalmente selecionada por produzir moléculasaromáticas, tais como acetato de etila e nonanal. A confirmação da classificação de L.plantarum LPBF35 como bactéria frutofílica facultativa ocorreu com base na avaliaçãodo sequenciamento de seu genoma, indicando a presença dos genes adhE1 e adhE2responsáveis pela expressão da enzima álcool/acetaldeído desidrogenase. A introduçãode L. plantarum LPBF35 como cultura iniciadora otimizou significativamente o consumode frutose da polpa durante a fermentação de cacau quando comparada aos processosutilizando uma cepa glucofílica (Pediococcus acidilactici LPBF66) e à fermentaçãoespontânea (sem inoculação). Na segunda etapa, o metabolismo de L. plantarum LPBF35foi estudado em cultura mista com Ped. acidilactici LPBF66 ou Pichia fermentansYC5.2. L. plantarum LPBF35 dominou todas as co-inoculações avaliadas e, quandoinoculada em cultura mista com a levedura P. fermentans YC5.2, aumentou a eficiênciado consumo de açúcares da polpa e a formação de compostos aromáticos durante afermentação (2-metil-1-butanol, acetato de isoamila e acetato de etila) e das amêndoasapós a secagem (acetato de etila, 2,3-butanodiol, benzaldeído e 2,3-butanodiona). Estesresultados demonstram que o consórcio microbiano entre bactérias frutofílicas e leveduraé ideal para melhorar o metabolismo de açúcares e a formação de metabólitos durante afermentação de cacau.; Abstract: Fermentation is an essential step in the cocoa-processing for color, flavor, andaroma development. During this process, microorganisms in the environment consumesugars present in the cocoa pulp, favoring the drying of the beans. Due to the glucophiliccharacter of microorganisms, glucose is consumed quickly, and high levels of residualfructose are often observed. It results in an inefficient drying process besides being aresidual sugar for the growth of undesirable microorganisms. Fructophilic lactic acidbacteria are metabolically characterized by preferring fructose over glucose as a carbonsource. In this context, this study aimed to isolate, select, and evaluate the potential offructophilic lactic acid bacteria to optimize the sugar consumption and metabolitesformation during cocoa fermentation. In the first stage of this study, laboratory cocoabeans fermentation was evaluated for the presence and diversity of lactic acid bacteria bynew generation sequencing (Illumina MiSeq), indicating the presence of potentialfructophilic bacteria of the genera Fructobacillus and Lactobacillus. A total of 80microbial strains with fast fructose consumption were isolated and identified bymolecular methods. Ten strains identified as Lactobacillus plantarum were characterizedas facultative fructophilic bacteria due to the consumption profile of different sugars.Lactobacillus plantarum LPBF35 was finally selected due to its ability to producearomatic molecules, such as ethyl acetate and nonanal. The classification of L. plantarumLPBF35 was confirmed as facultative fructophilic bacteria based on the evaluation of thesequencing of its genome, indicating the presence of the adhE1 and adhE2 genes thatexpress the alcohol/acetaldehyde dehydrogenase enzyme. The introduction of L.plantarum LPBF35 as a starter culture significantly optimized the fructose consumptionof the pulp during cocoa fermentation when compared to the process using a glucophilicstrain (Pediococcus acidilactici LPBF66) and the spontaneous fermentation (noninoculation).In the second stage of this study, the metabolism of L. plantarum LPBF35was studied in a mixed culture with Ped. acidilactici LPBF66 or Pichia fermentansYC5.2. L. plantarum LPBF35 dominated all evaluated co-inoculations and, wheninoculated in a mixed culture with the yeast P. fermentans YC5.2, it increased theefficiency of the consumption of pulp sugars and formation of aromatic compoundsduring fermentation (2-methyl-1-butanol, isoamyl acetate, and ethyl acetate) and in thebeans after drying (ethyl acetate, 2,3-butanediol, benzaldehyde, and 2,3-butanedione).The results of this study suggest that FLAB and yeast is a microbial consortium that canimprove sugar metabolism and aroma formation during cocoa beans fermentation. Orientador: Prof. Dr. Gilberto Vinícius de Melo Pereira; 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, 24/02/2021; Inclui referências: p. 120-141 Fri, 01 Jan 2021 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/101813 2021-01-01T00:00:00Z 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 Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/97979 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 Sat, 01 Jan 2022 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/100359 2022-01-01T00:00:00Z