Kinetic study of the production of exopolysaccharide by Lasiodiplodia theobromae in agitated and aerated low shear bioreactor

Os polissacarídeos possuem diversas aplicações industriais devido a sua ampla variedade de propriedades físico-químicas. Além desses empregos tradicionais, pesquisas mais recentes estão impulsionando o uso de polissacarídeos para novas aplicações, principalmente na área de terapia farmacêutica. Com o objetivo de ampliar a produção industrial de polissacarídeos microbianos, pesquisas têm se concentrado nos exopolissacarídeos (EPS), que apresentam produtividade elevada e processos de extração e purificação mais simples quando comparados aos polímeros tradicionais. A lasiodiplodana, uma ?-(1->6)-D-glucana, é um EPS produzido por Lasiodiplodia theobromae, um fungo filamentoso característico de regiões tropicais e patógeno de mais de 500 espécies vegetais. Na produção de EPS observa-se que, como resultado do crescimento e da produção do biopolímero, o meio de cultivo torna-se mais viscoso, tornando difícil a manutenção da homogeneidade no biorreator e, consequentemente, prejudicando a transferência de massa e oxigênio no meio. Nos cultivos em que ocorrem mudanças na reologia do meio e nos quais são utilizados fungos filamentosos, sensíveis ao cisalhamento, o uso de biorreatores convencionais, como o Stirred Tank Reactor (STR) e o Airlift, não é adequado. Nesse contexto, no presente estudo tem-se como objetivo estudar a cinética de crescimento, consumo de substrato e produção de EPS pelo fungo filamentoso Lasiodiplodia theobromae, a partir de glicose e de glicerol, no Biorreator Agitado e Aerado de Baixo Cisalhamento (BAABC) e compará-lo com o STR. No estudo inicial, realizado em frascos agitados, a maior produção de EPS (6,49 ± 0,03 g/L) foi alcançada pelo ensaio G, que continha a maior concentração glicose testada (50 g/L) e a menor concentração de extrato de levedura (3 g/L). Quando se utilizou glicerol como fonte de carbono, a maior produção de EPS (3,39 ± 0,06 g/L) foi observada no Ensaio O, que continha 30 g/L de glicerol e a maior concentração de fonte de nitrogênio testada (12 g/L de extrato de levedura). Nos ensaios em biorreatores, quando utilizou-se glicose como fonte de carbono observou-se que o BAABC com controle de temperatura proporcionou uma produção de 3,17 ± 0,16 g/L de EPS, concentração inferior à obtida em frascos, porém bastante superior à obtida no biorreator STR (0,70 ± 0,12 g/L). Para os meios contendo glicerol, o biorreator STR proporcionou uma produção de EPS de 3,02 ± 0,19 g/L, enquanto no BAABC a concentração de EPS obtida foi muito menor (1,45 ± 0,25 g/L). Analisando-se, porém, a concentração máxima de biomassa obtida (28,86 ± 1,46 g/L) bem como os parâmetros cinéticos relacionados (YX/S e QX), nota-se que a produção de biomassa foi muito superior e mais eficiente no BAABC. Apesar das diferenças morfológicas visualmente observadas e confirmadas por meio de microscopia óptica nos EPS obtidos a partir de glicose e de glicerol, as análises de Difração de raios-X e Espectroscopia de absorção na região do infravermelho com Transformada de Fourier permitiram evidenciar a similaridade estrutural entre ambos os EPS.Polysaccharides have several industrial applications because of their wide variety of physicochemical properties. In addition to these traditional applications, recent research is driving the use of polysaccharides towards new applications, especially in the field of pharmaceutical therapy. With the aim of increasing the industrial production of microbial polysaccharides, research has focused on exopolysaccharides (EPS), which have high productivity and simpler extraction and purification processes when compared to traditional polymers. Lasiodiplodana, a ?-(1->6)-D-glucan, is an EPS produced by Lasiodiplodia theobromae, a filamentous fungus characteristic of tropical areas and pathogenic of more than 500 plant species. In EPS production, as a result of the growth and biopolymer production, the culture medium becomes more viscous, making it difficult to maintain homogeneity inside the bioreactor and, consequently, harming the transfer of mass and oxygen in the medium. In cultures where changes in media rheology occur and in which shear-sensitive filamentous fungi are used, the use of conventional bioreactors, such as Stirred Tank Reactor (STR) and Airlift, is not appropriate. In this context, the objective of the present study was to study the growth kinetics, substrate consumption and EPS production by the Lasiodiplodia theobromae filamentous fungus, from glucose and glycerol, in the Low-Shear Aerated-Agitated Bioreactor (LSAAB) and compare it with the STR. In the initial study, conducted in shaken flasks, the highest EPS production (6.49 ± 0.03 g/L) was achieved by the G test, which contained the highest glucose concentration tested (50 g/L) and the lowest concentration of yeast extract (3 g/L). When glycerol was used as the carbon source, the highest EPS yield (3.39 ± 0.06 g/L) was observed in Test O, which contained 30 g/L glycerol and the highest concentration of nitrogen source tested (12 g/L of yeast extract). In the bioreactor trials, when glucose was used as the carbon source, it was observed that the LSAAB with temperature control provided a production of 3.17 ± 0.16 g/L of EPS, a concentration lower than that obtained in flasks, but rather higher than that obtained in the STR bioreactor (0.70 ± 0.12 g/L). For the glycerol-containing media, the STR bioreactor produced 3.02 ± 0.19 g/L of EPS, while in LSAAB the EPS concentration obtained was much lower (1.45 ± 0.25 g/L). However, analyzing the maximum concentration of biomass obtained (28.86 ± 1.46 g/L) as well as the related kinetic parameters (YX/S and QX), biomass production was much higher and more efficient in LSAAB. In spite of the visually observed morphological differences confirmed by optical microscopy in EPS obtained from glucose and glycerol, X-ray diffraction and absorption spectroscopy analyzes in the infrared region with Fourier transform showed the structural similarity between both EPS