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Abstract(s)
Marine biodiscovery is a promising field for novel compounds and materials. For the
application of blue biotechnology, the development of new strategies is paramount to
shorten the pipeline between enzyme and metabolite discovery and application, i.e. to
increase of efficiency of the bioprocess to obtain industrial relevant yields. By
understanding the mechanisms and stress conditions in the marine environment that
favoured the production of a given compound by marine bacteria, high production levels of
commercially interesting compounds should be achieved. The goal of this thesis was to
develop a bioprocess, at laboratory scale, using marine bacteria for the production of
prodiginine compound(s), which have applications in different fields including the
pharmaceutical and food industries. The selected strain and product(s) were characterized
using, respectively, i) 16S rRNA and lipid profile, and ii) UV-VIS, NMR, FTIR, and GC-MS
techniques. Through an intense screening process in shaken flasks, using culturomics and
lipidomics approaches, the growth conditions leading to the highest yields were assessed.
Several parameters were evaluated, including e.g. nature of the carbon and nitrogen
sources, presence of metals ions, light exposure, temperature, pH, agitation, and oxygen
concentration. Additionally, the effect of specific stresses such as nutrient depletion and the
growth of the cells in biofilms were also evaluated. Once the best medium composition and
cultivation conditions were determined, the bioprocess was scaled up to 2 L bioreactors for
further improvement of the bioprocess. The maintenance of the oxygen transfer coefficient
(kLa) was used as scale-up criterion, and Büch’s, Doran’s, Michels and Miller’s Equations
were firstly employed for the determination of kLa. The effect of stirring conditions, medium
composition and kLa on biomass and prodiginine production was further assessed at this
scale. It was found that supplementation of marine broth (MB) with appropriate nitrogen
sources and metal ions increased to 200 mg/(L.h) both biomass and prodiginine
productivities.
A descoberta de novos compostos e materiais de origem marinha é um promissor campo de investigação. Para que possa haver a aplicação da biotecnologia azul a nível industrial torna-se fundamental o desenvolvimento de novas estratégias para diminuir o tempo entre a descoberta e a aplicação destes novos compostos, e para aumentar a eficiência do processo para rendimentos suficientemente altos para aplicação industrial. A compreensão dos mecanismos, e das condições de stress a que as bactérias marinhas estão sujeitas e que as levam a produzir um determinado composto, permite que este composto possa ser produzido em larga escala. O objectivo desta tese foi o desenvolvimento de um bioprocesso à escala laboratorial usando bactérias marinhas para a produção de prodigininas. Estes produtos têm várias aplicações em diferentes sectores industriais, tais como a indústria farmacêutica e a alimentar. A estirpe seleccionada e o produto por ela produzido foram caracterizados por i) 16S rRNA e pelo seu perfil lipídico, e por ii) UV-VIS, NMR, FTIR, e GCMS, respectivamente. Através de um intenso processo de análise em balão Erlenmeyer, e usando técnicas de culturomica e lipidomica, as condições de crescimento que levam a elevados rendimentos de biomassa e de produto foram determinados. Os parâmetros avaliados foram vários, e incluíram o tipo de fontes de carbono e azoto, a presença de iões metálicos, presença de luz, temperatura, pH, agitação e concentração de oxigénio no meio. Condições específicas de stress, como baixas concentrações de nutrientes, e o crescimento celular em biofilme foram avaliadas. Após a selecção da composição do meio e das melhores condições de crescimento, realizou-se o aumento de escala do bioprocesso para fermentadores de 2 L. O coeficiente de transferência de oxigénio (kLa) foi escolhido como critério de aumento de escala, e os modelos de Büch’s, Doran’s, Michels e Miller foram aplicados na sua determinação. O efeito da agitação, composição do meio e do kLa na concentração de biomassa e produto foi estudado a esta escala. Determinou-se que através do enriquecimento de meio marinho (MB) com fontes de azoto e de iões metálicos apropriados, a produtividade em biomassa e prodigininas aumentou para aproximadamente 200 mg/(L.h).
A descoberta de novos compostos e materiais de origem marinha é um promissor campo de investigação. Para que possa haver a aplicação da biotecnologia azul a nível industrial torna-se fundamental o desenvolvimento de novas estratégias para diminuir o tempo entre a descoberta e a aplicação destes novos compostos, e para aumentar a eficiência do processo para rendimentos suficientemente altos para aplicação industrial. A compreensão dos mecanismos, e das condições de stress a que as bactérias marinhas estão sujeitas e que as levam a produzir um determinado composto, permite que este composto possa ser produzido em larga escala. O objectivo desta tese foi o desenvolvimento de um bioprocesso à escala laboratorial usando bactérias marinhas para a produção de prodigininas. Estes produtos têm várias aplicações em diferentes sectores industriais, tais como a indústria farmacêutica e a alimentar. A estirpe seleccionada e o produto por ela produzido foram caracterizados por i) 16S rRNA e pelo seu perfil lipídico, e por ii) UV-VIS, NMR, FTIR, e GCMS, respectivamente. Através de um intenso processo de análise em balão Erlenmeyer, e usando técnicas de culturomica e lipidomica, as condições de crescimento que levam a elevados rendimentos de biomassa e de produto foram determinados. Os parâmetros avaliados foram vários, e incluíram o tipo de fontes de carbono e azoto, a presença de iões metálicos, presença de luz, temperatura, pH, agitação e concentração de oxigénio no meio. Condições específicas de stress, como baixas concentrações de nutrientes, e o crescimento celular em biofilme foram avaliadas. Após a selecção da composição do meio e das melhores condições de crescimento, realizou-se o aumento de escala do bioprocesso para fermentadores de 2 L. O coeficiente de transferência de oxigénio (kLa) foi escolhido como critério de aumento de escala, e os modelos de Büch’s, Doran’s, Michels e Miller foram aplicados na sua determinação. O efeito da agitação, composição do meio e do kLa na concentração de biomassa e produto foi estudado a esta escala. Determinou-se que através do enriquecimento de meio marinho (MB) com fontes de azoto e de iões metálicos apropriados, a produtividade em biomassa e prodigininas aumentou para aproximadamente 200 mg/(L.h).
Description
Trabalho final de mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Química e Biológica-Bioprocesso.
Keywords
Bioprocess Bioprocesso Bioprospecting Bioprospecção Fermentation Fermentação Marine bacteria Bactérias marinhas Prodiginine compounds Compostos Prodigininos Scale-up Aumento de escala Screening Selecção Prodigininas
Citation
PEREIRA, Ricardo Manuel Ferreira dos Santos - Production of biological compounds with marine bacteria. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2018. Dissertação de mestrado.
Publisher
Instituto Superior de Engenharia de Lisboa