Mestrado em Engenharia Química

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Acesso aberto (Open Access)
Biossorção de efluente têxtil por biomassa fúngica imobilizada de Aspergillus oryzae e Penicillium citrinum
(Universidade Federal de Alfenas, 2019-08-14) Sato, Paula Mari; Andrade, Grazielle Santos Silva; Lopes, Melina Savioli; Baptista Neto, Álvaro De
O presente estudo avaliou a potencialidade de utilização de biomassa de fungos filamentosos Aspergillus oryzae (AO) e Penicillium citrinum (PC) cultivados em meio de batata dextrose (BD) e okara-dextrose (OkD), imobilizados em esponja de poliuretano e inativados, para biossorção de efluente têxtil real, em frascos agitados e coluna de leito fixo, em caráter exploratório. Os efluentes têxteis reais foram obtidos de fábrica de jeans local, tendo composição e concentração desconhecidas por motivo de segredo industrial. Em ensaios em frascos agitados (170 rpm, 25 °C) variaram-se concentração de efluente têxtil real, massa de biomassa e tempo de contato, obtendo-se descoloração de até 83,6 % com PC-OkD. Em coluna de leito fixo (3 cm diâmetro interno x 12,7 cm de altura, 96 mL de volume), tratou-se efluente têxtil alaranjado variando-se biomassa de recheio, concentração do efluente, vazão ascensional usando bomba peristáltica comercial, e tempo de contato, em configuração de reciclo total, obtendo-se descoloração de até 84,9 %. Foi feita dessorção usando NaOH 0,1M como eluente. Em coluna de leito fixo, realizando-se mais dois ciclos de biossorção-dessorção com a mesma biomassa, verificou-se queda de descoloração de 84,6 % para 55,8 % e 32,9 %. Alíquotas retiradas na saída da coluna de leito fixo e dos erlenmeyers foram analisadas em varredura de espectrofotômetro UV-Vis, entre 350 e 750 nm, utilizando o parâmetro ambiental alemão DFZ e porcentagem de descoloração. Os biossorventes foram caracterizados com MEV e FTIR, sendo possível verificar diferenças entre análises feitas antes e após o contato com efluente têxtil. Estudos semelhantes utilizando os mesmos fungos imobilizados e inativados da mesma forma não foram encontrados na literatura ainda. No entanto, os resultados de descoloração de até 84,9 % são comparáveis a valores encontrados para fungos filamentosos livres, vivos ou inativados, em tratamento de solução de corantes sintéticos, sendo necessários estudos mais aprofundados.
Acesso aberto (Open Access)
Estudo do potencial de biossorção do corante Rodamina B por células inativas de Aspergillus oryzae
(Universidade Federal de Alfenas, 2019-01-25) Souza, Flávia Helena Moreti; Andrade, Grazielle Santos Silva; Freitas, Larissa De; Sancinetti, Giselle Patrícia
A aplicação de novos materiais biossorventes vem se consolidando como uma alternativa atraente para complementação ou mesmo substituição aos tratamentos tradicionais empregados aos efluentes têxteis. Com o objetivo de desenvolver um biossorvente eficiente e de baixo custo, este trabalho estudou o potencial de biossorção do corante Rodamina B através do uso de biomassa fúngica inativa de Aspergillus oryzae. A partir do planejamento fatorial 2³, analisou-se diferentes composições de meios de cultivo e definiu-se as variáveis que produziram o biossorvente com as características mais satisfatórias para a biossorção do corante, sendo este okara e dextrose sem a presença de sais. Verificou-se através de estudo do efeito da granulometria que a biomassa moída com diâmetro médio de Sauter de 0,90mm apresentou melhores resultados do que a biomassa picada com partículas de diâmetro médio de 3,75mm. A biomassa moída apresentou maiores taxas de biossorção e maior controle do processo, decorrente de um biossorvente uniforme. As análises de MEV apontaram a influência do meio de cultivo na superfície do biossorvente e as análises de FTIR comprovaram que as mudanças estruturais afetam diretamente o processo de biossorção. O modelo cinético de pseudo-segunda ordem foi o que melhor se ajustou aos dados experimentais, apresentando coeficiente de correlação linear (R²) maior que 0,99 para todos os experimentos. O equilíbrio do processo de biossorção foi descrito pelo modelo da isoterma de adsorção de Freundlich (R² > 0,97). Através da análise dos coeficientes deste modelo pode-se afirmar que o processo de biossorção foi favorável, uma vez que possui valores maiores que 1,0. O estudo termodinâmico apontou que o processo de biossorção é espontâneo , endotérmico e que a aleatoriedade na interface biossorvente/solução aumenta durante o processo de biossorção . Durante o ensaio de dessorção verificou-se que o dessorvente mais eficaz para regeneração das células inativas é o , que apresentou eficiência de remoção de aproximadamente 80%.
Acesso aberto (Open Access)
Imobilização da biomassa catalítica de Aspergillus oryzae IPT-301, caracterização e aplicação na produção de frutooligossacarídeos
(Universidade Federal de Alfenas, 2018-05-28) Garcia, Rogério Lopes; Perna, Rafael Firmani; Maiorano, Alfredo Eduardo; Hirata, Daniela Battaglia
Os frutooligossacarídeos (FOS) são açúcares de baixa caloria que apresentam diversos benefícios à saúde humana. São disponibilizados comercialmente mediante produção sintética, por reação de transfrutosilação, utilizando enzimas microbianas como a frutosiltransferase (FTase, E.C.2.4.1.9). Dentre os micro-organismos produtores desta enzima, o Aspergillus oryzae IPT-301 se destaca como fonte potencialmente produtora, sintetizando FTase micelial (aderida a biomassa celular) com atividades hidrolítica (AH) e de transfrutosilação (AT). A razão entre as atividades (AT/AH) é um importante parâmetro que indica a predominância de AT sobre AH. A aplicação deste micro-organismo na produção de FOS pode ser aprimorada por meio da imobilização da biomassa por processo de reticulação visando aumentar a estabilidade da biomassa e possibilitar o seu reuso. Neste contexto, o objetivo do presente trabalho centrou-se na imobilização da biomassa de Aspergillus oryzae IPT-301 utilizando glutaraldeído como agente de reticulação e caracterização quanto às suas propriedades catalíticas, assim como a determinação dos parâmetros cinéticos e termodinâmicos e avaliação de sua estabilidade operacional na produção de FOS. A biomassa catalítica foi produzida por fermentação submersa aeróbia, em agitador orbital do tipo Shaker e meio de cultura sintético. Os ensaios de imobilização da biomassa produzida foram realizados por planejamento experimental do tipo DCCR 2² e o efeito de diferentes concentrações de glutaraldeído (GLU) e pH no meio de imobilização foram avaliados. As melhores respostas foram obtidas em pH 7,9 e concentração de GLU 2,1 % (v/v), com AT e AH iguais a 821 ± 28 U.g-1 e 126 ± 10 U.g-1, respectivamente. Quando comparado o ganho de atividade por unidade de massa micelial com o processo de imobilização, foi observado um aumento de 14 % na AT, redução de 40 % na AH e aumento em 86 % da razão (AT/AH). Estas mudanças nas atividades observadas após a imobilização são benéficas por favorecerem maiores rendimentos deste biocatalisador na produção de FOS. Assim, as biomassas livre e imobilizada foram caracterizadas. A biomassa livre apresentou os melhores resultados de atividade entre as temperaturas de 45 ºC e 55 ºC, enquanto as maiores AT e razão (AT/AH) para a biomassa imobilizada foram observadas entre 50 ºC e 55 ºC. Quanto à influência do pH, ambos os biocatalisadores apresentaram maiores AT e razão (AT/AH) em pH 5,5. Desta forma, a temperatura de 50 ºC e o pH 5,5 foram fixados para se realizar a comparação dos biocatalisadores nos ensaios de estabilidade operacional. Os ensaios de estabilidade frente ao pH mostraram que ambos os biocatalisadores foram estáveis na faixa de pH entre 4,5 e 7,5. A análise de estabilidade térmica mostrou por meio dos parâmetros termodinâmicos avaliados que a imobilização da biomassa proporcionou um aumento da termoestabilidade, com a biomassa imobilizada passando a ter um tempo de meia vida a 50 ºC de 5728,5 min, valor este 2,8 vezes maior que o observado para o tempo de meia vida da biomassa livre a 50 ºC. A avaliação da cinética enzimática indicou que os modelos de Hill e de Michaelis-Menten se ajustaram satisfatoriamente ao comportamento da FTase de ambos os biocatalisadores. Foi observada a redução de K0,5, de 97,8 para 85,9 g.L-1 e uma redução de Km, de 121,5 para 98,5 g.L-1 após a imobilização da biomassa catalítica, indicando um aumento da afinidade entre enzima e substrato com a imobilização. A aplicação dos biocatalisadores em ensaios de estabilidade operacional mostrou que a biomassa imobilizada foi estável após 12 ciclos de produção de FOS (atividade relativa de 88,9 ± 2,2 % da atividade inicial), enquanto a atividade da biomassa livre caiu após 12 ciclos de produção para aproximadamente 50 % da atividade inicial, demonstrando assim o ganho de aplicabilidade da biomassa catalítica de Aspergillus oryzae IPT-301 na produção de FOS com o processo de imobilização realizado.
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Imobilização da enzima frutosiltransferase extracelular de Aspergillus oryzae IPT-301 em sabugo de milho para a produção de fruto-oligossacarídeos
(Universidade Federal de Alfenas, 2021-12-16) Pereira, Richard Silveira; Lopes, Melina Savioli; Ottoni, Cristiane Angélica; Villalba Morales, Sergio Andres
Os fruto-oligossacarídeos (FOS) são alimentos benéficos ao organismo humano. Comercialmente, são produzidos através de uma reação de transfrutosilação, a qual uma enzima transferase catalisa sacarose em FOS. Dentre os micro-organismos produtores destas enzimas, o Aspergillus oryzae IPT-301 se destaca por produzir frutosiltransferase (FTase) com elevada atividade de transfrutosilação (A_t). A utilização da enzima livre em escala comercial é um processo difícil e custoso, já que ela se desnatura rapidamente. Assim sendo, observa-se a necessidade de pesquisas para a imobilização destas enzimas com o intuito de se aumentar seu tempo de meia-vida e sua estabilidade. Em vista disso, este trabalho objetivou avaliar o processo de imobilização da FTase extracelular (por adsorção física) em sabugo de milho, um resíduo agroindustrial natural. O suporte in natura foi apenas ralado. Funcionalizou-se o sabugo de milho por extração alcalina para maximizar sua capacidade de adsorção. Realizou-se ensaios para avaliar a cinética da FTase imobilizada em sabugo de milho para diferentes temperaturas. Fez-se um planejamento de experimentos com o objetivo de se avaliar as influências de temperatura e pH sobre A_t e se obter as condições ótimas. Avaliou-se as estabilidades térmica, operacional, de concentração de substrato, e frente ao pH. Os perfis cinéticos de imobilização apontaram que a A_t do caldo fermentado (em contato com o suporte) decaiu ao decorrer do ensaio, sendo o maior rendimento de imobilização (RI) obtido a 35 °C (74 % para o suporte in natura e 64 % para o funcionalizado). A atividade transfrutosilação recuperada (A_tr) resultou em um valor cerca de quatro vezes superior para o sabugo de milho funcionalizado (9,05 ± 0,58 %), indicando que a funcionalização do suporte aumentou sua capacidade de adsorção. O planejamento de experimentos apontou que as condições ótimas para A_t do biocatalisador heterogêneo foi de 55 °C e pH 5,5. O estudo dos efeitos de concentração mostrou que as maiores atividades foram atingidas para concentrações entre 400 g.L-1 e 600 g.L-1, sendo que a cinética enzimática melhor se ajustou ao modelo de Hill. Os ensaios de estabilidade frente ao pH indicaram que o biocatalisador heterogêneo foi estável frente à faixa de pH entre 5,5 e 6,0. O ensaio conseguinte indicou que não houve um aumento expressivo da estabilidade térmica do biocatalisador heterogêneo frente ao solúvel, com tempo de meia-vida (do biocatalisador heterogêneo) 1,13 vezes superior para 50 °C. O ensaio de estabilidade operacional permitiu constatar que a FTase imobilizada no suporte funcionalizado manteve a A_t relativa em até 13 % ao fim do quarto ciclo batelada, apontando a possibilidade de reuso. Por conseguinte, constatou-se que os ensaios de caracterização e de estabilidade permitiram concluir que a FTase foi imobilizada em sabugo de milho através de adsorção física. Destaca-se que esta pesquisa é inovadora ao imobilizar frutosiltransferase em um resíduo para a produção de fruto-oligossacarídeos.
Acesso aberto (Open Access)
Imobilização da enzima frutosiltransferase extracelular de Aspergillus oryzae IPT-301 em sílica gel pura e funcionalizada para produção de frutooligossacarídeos
(Universidade Federal de Alfenas, 2021-10-07) Prado, José Pedro Zanetti; Perna, Rafael Firmani; Soares, Cleide Mara Faria; Villalba Morales, Sergio Andres
Frutooligossacarídeos (FOS) são açúcares prebióticos de baixa caloria, não cariogênicos, podendo ser consumidos por diabéticos e, por não serem hidrolisados pelas enzimas gastrointestinais, promovem a seletividade das bactérias probióticas na microbiota intestinal, auxiliando na eliminação de microrganismos patogênicos e na prevenção do câncer de cólon. São comercialmente produzidos por enzimas microbianas como a frutosiltransferase (FTase, E.C.2.4.1.9) utilizando a sacarose como substrato. A imobilização destas enzimas em suportes porosos, permite aumentar a estabilidade enzimática, reutilizar o biocatalisador e proteger a enzima de condições adversas do meio reacional. Diante disso, este trabalho teve como objetivo imobilizar, por adsorção física e ligação covalente, a FTase extracelular de Aspergillus oryzae IPT-301 em sílica gel, pura (sem tratamento) e funcionalizada com glutaraldeído, visando obter um biocatalisador heterogêneo ativo e estável para a produção de FOS. Avaliou-se as estabilidades térmica, frente ao pH de incubação, operacional e de armazenamento da enzima imobilizada, bem como os perfis cinéticos do biocatalisador. As melhores condições obtidas para a imobilização de FTase em sílica gel pura (35 ºC, pH 5,5 e 175 rpm) e em sílica gel funcionalizada com glutaraldeído foram empregadas para se determinar o rendimento de imobilização (RI) e a atividade recuperada (AR). Para a FTase imobilizada em sílica gel pura, alcançou- se valores de RI e AR iguais a 13 % e 10 %, respectivamente, ao passo que, para a enzima imobilizada no suporte funcionalizado, foram obtidos RI de 38 % e AR de 7,5 %. A enzima imobilizada em ambos os suportes apresentou comportamento cinético descrito pelo modelo corporativo de Hill, cujos maiores valores de atividade foram obtidos para uma faixa de concentração de substrato compreendida entre 400 g L-1 e 600 g L-1. A FTase imobilizada em sílica gel funcionalizada mostrou maior capacidade de reutilização ao longo de 8 ciclos reacionais consecutivos, além de exibir maiores estabilidades térmica, de armazenamento e frente ao pH em relação ao biocatalisador adsorvido no suporte puro. Os resultados obtidos sugerem um alto potencial de aplicação da sílica gel funcionalizada como suporte de imobilização de FTase para a produção de FOS.
Acesso aberto (Open Access)
Imobilização da enzima frutosiltransferase extracelular de Aspergillus oryzae IPT-301 em sílica-gel para produção de frutooligossacarídeos
(Universidade Federal de Alfenas, 2019-03-08) Faria, Larissa Lemos; Perna, Rafael Firmani; Morales, Sergio Andres Vilalba; Ottoni, Cristiane Angélica
Os frutooligossacarídeos (FOS) são açúcares prebióticos de baixa caloria que apresentam diversos benefícios à saúde humana. Há um grande interesse na aplicação de FOS como substitutos dos edulcorantes convencionais, o que torna necessário o desenvolvimento de processos, em escala industrial, de produção destes componentes, desenvolvidos no Brasil. Estes açúcares podem ser produzidos pela reação de transfrutosilação da sacarose, catalisada por enzimas microbianas como a frutosiltransferase (FTase E.C.2.4.1.9), de Aspergillus oryzae IPT-301. Deste modo, o presente trabalho teve como objetivo estudar o processo de imobilização da enzima FTase microbiana extracelular, utilizando sílica-gel como suporte, para produção de FOS. Para tanto, foram realizados testes de imobilização, por adsorção física, em diferentes temperaturas (20 ºC, 25 ºC, 30 ºC e 35 ºC), durante 6 horas, com agitação de 175 rpm, 10 mL de caldo fermentado pH 5,5, contendo a enzima microbiana extracelular, e 1,0 g de sílica-gel. Após obter os perfis cinéticos de adsorção, foi realizado um planejamento experimental do tipo delineamento composto central rotacional (DCCR) 2² variando a temperatura e pH do meio reacional, com o intuito de definir as condições ótimas de reação para a enzima imobilizada. Em acrésccimo, para a caracterização do biocatalisador imobilizado, foram realizados ensaios de estabilidade frente ao pH, estabilidade térmica, avaliação da influência da concentração de substrato na reação enzimática e ensaios de estabilidade operacional. Os perfis cinéticos de imobilização indicaram que a atividade de transfrutosilação (), presente no caldo fermentado, decresceu com o aumento do tempo de imobilização e que, o maior rendimento de imobilização, cerca de 85 %, foi obtido para uma temperatura de 35 ºC. A partir do planejamento experimental, foi possível definir as condições ótimas de reação para a enzima imobilizada obtendo-se valores de pH e temperatura iguais a 5,5 e 50 ºC, respectivamente. A avaliação da concentração de substrato indicou que as melhores condições para a reação enzimática foram alcançadas para concentrações de sacarose compreendidas entre 400 a 600 g.L-1 e a cinética enzimática foi melhor ajustada ao modelo cooperativo de Hill. Além disso, os ensaios de estabilidade ao pH mostraram que a enzima imobilizada foi estável ( relativa próximo a 100 %) na faixa de pH entre 5,0 e 6,5 e, a análise de estabilidade térmica mostrou, por meio dos parâmetros termodinâmicos avaliados, que a imobilização proporcionou um aumento na energia necessária para a desativação enzimática, aumentando sua termoestabilidade, de modo a aumentar o tempo de meia vida da enzima FTase imobilizada em 2,5 vezes, para a temperatura de 30ºC, em relação ao biocatalisador na sua forma livre. Dos ensaios de estabilidade operacional, constatou-se que a enzima pode ser reutilizada por 2 ciclos batelada consecutivos sem perdas de atividade. Ao caracterizar o suporte sílica-gel foi possível comprovar a adsorção da enzima em sua superfície. Portanto, a partir dos estudos de imobilização e caracterização foi possível concluir que a FTase extracelular foi satisfatoriamente imobilizada em sílica-gel.
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Imobilização de células de Aspergillus oryzae IPT-301 em esponja de poliuretano para a produção enzimática de fruto-oligossacarídeos
(Universidade Federal de Alfenas, 2022-12-16) Barbosa, Nathália Romani; Perna, Rafael Firmani; Maiorano, Alfredo Eduardo; Miranda, Everson Alves
Fruto-oligossacarídeos (FOS) são oligômeros de frutose benéficos à saúde e nutrição humana por exibirem propriedades nutracêuticas. Sua produção ocorre por reação de transfrutosilação em moléculas de sacarose catalisadas por enzimas frutosiltransferases (FTase, E.C.2.4.1.9) aderidas às células microbianas. A imobilização de células em materiais de suporte permite obter biocatalisadores heterogêneos robustos e resistentes às condições adversas do meio reacional. Esponjas de poliuretano (EPU) são suportes indicados para a imobilização por apresentarem estabilidades térmica e mecânica, além de tamanho e distribuição de poros que possibilitam a difusão gasosa e de substrato, essenciais para o crescimento microbiano. Diante disso, o objetivo deste trabalho foi avaliar a produção de células de Aspergillus oryzae IPT-301, por cultivo celular submerso, e sua imobilização concomitante em esponjas de EPU. Para isso, foram investigados a capacidade de crescimento e adsorção das células em função do tempo de cultivo e da atividade de transfrutosilação (AT), assim como realizados estudos de caracterização das propriedades bioquímicas e de estabilidade das células imobilizadas e imobilizadas e reticuladas, visando obter biocatalisadores robustos, estáveis e ativos para a síntese de FOS. A produção das células microbianas, confinadas em EPU, ocorreu em meio de cultura sintético, pH 5,5, 200 rpm à 30 ºC. A curva de crescimento microbiano mostrou que o melhor tempo de cultivo celular ocorreu para 32 h de processo. A temperatura de 50 ºC, o pH de 5,5 e a concentração de 480,2 g L-1 foram os parâmetros do meio reacional que forneceram os máximos valores de AT. A avaliação da cinética enzimática mostrou que o modelo de Hill se ajustou satisfatoriamente aos perfis cinéticos apresentados para ambos os biocatalisadores. Parâmetros termodinâmicos indicaram que as células imobilizadas proporcionaram um aumento da termoestabilidade do biocatalisador. Os ensaios de estabilidade frente ao pH mostraram que ambas as células (imobilizadas e imobilizadas e reticuladas) mantiveram estáveis em uma faixa de pH entre 4,5 e 6,0 e retiveram até 40 % de AT inicial quando armazenadas por 28 dias sob refrigeração. Por fim, os resultados de estabilidade operacional indicaram que as células imobilizadas e imobilizadas e reticuladas retiveram 50,23% e 60,90% de suas atividades enzimáticas iniciais, respectivamente, após 12 ciclos reacionais consecutivos, alcançando uma produção média de 100 g L-1 de FOS. Esse conjunto de resultados evidencia a potencialidade da aplicação de células catalíticas, imobilizadas em EPU, na produção de FOS e representa o início de uma sequência de estudos sobre a imobilização dessas células microbianas, por adsorção, em diferentes materiais de suporte para a obtenção de biocatalisadores na síntese de bioprodutos de interesse industrial e na implementação de bioprocessos diversos.
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Imobilização de células de Aspergillus Oryzae IPT-301 em esponja vegetal para a síntese enzimática de fruto-oligossacarídeos
(Universidade Federal de Alfenas, 2024-08-23) Aranda, Isabela Almodova; Perna, Rafael Firmani; Perna, Rafael Firmani; Zanin, Gisella Maria; Basso, Rodrigo Corrêa
Fruto-oligossacarídeos (FOS) são classificados como açúcares prebióticos que apresentam diversos benefícios à saúde e nutrição humana. São sintetizados industrialmente, por reação de transfrutosilação em moléculas de sacarose catalisadas por enzimas frutosiltransferases aderidas às células microbianas. A imobilização de células em materiais de suporte possibilita obter biocatalisadores heterogêneos robustos e resistentes às condições adversas do meio reacional. Esponjas vegetais são suportes indicados para a imobilização por apresentarem tamanho e distribuição de poros que possibilitam a difusão gasosa e de substrato, essenciais para o crescimento microbiano. Além disso, são suportes biodegradáveis e de baixo custo. Diante disso, o objetivo deste trabalho foi avaliar a produção de células de Aspergillus. oryzae IPT-301 e sua imobilização em esponja vegetal. Para isso, a produção das células microbianas, imobilizadas em esponja vegetal, ocorreu em meio de cultura sintético, pH 5,5, 200 rpm à 30 ºC. A curva de crescimento microbiano mostrou que o melhor tempo de cultivo celular ocorreu para 28h de processo. A temperatura de 50 ºC, o pH de 5,75 e a concentração de 400 g L-1 foram os parâmetros do meio reacional que forneceram máximas atividades enzimáticas. As células biocatalíticas imobilizadas exibiram maior termoestabilidade quando comparadas às células biocatalíticas in natura, conforme indicado pelos valores dos parâmetros termodinâmicos obtidos para o biocatalisador heterogêneo. Além disso, as células imobilizadas em esponja vegetal apresentaram ampla faixa de estabilidade frente ao pH (5,00 a 7,00) e bom desempenho operacional. Ensaios em reator de leito fixo mostraram uma produtividade enzimática de 11,7 U g-1 min-1, cujos valores de conversão e rendimento obtidos foram iguais a 8,31% e 6,63%, respectivamente. Quanto ao valor do parâmetro produtividade mássica, obteve-se 1,89 g FOS gcélulas-1 h -1 para o sistema reacional contínuo. Esse conjunto de resultados evidencia a inovação tecnológica presente neste estudo para a obtenção de biocatalisadores a partir da imobilização de células em esponja vegetal, tanto para a síntese de FOS, quanto no avanço do segmento de bioprodutos de interesse industrial e na implementação de bioprocessos diversos.
Acesso aberto (Open Access)
Imobilização de células íntegras de Aspergillus oryzae IPT-301 visando estudos biocatalíticos em reator de leito fixo para a produção de frutooligossacarídeos
(Universidade Federal de Alfenas, 2022-02-14) Ribeiro, Beatriz Menossi; Perna, Rafael Firmani; Maiorano, Alfredo Eduardo; Sipoli, Caroline Casagrande
Frutooligossacarídeos (FOS) são açúcares prebióticos de baixa caloria que apresentam diversos benefícios à saúde e nutrição humana. São disponibilizados comercialmente mediante produção sintética, por reação de transfrutosilação, utilizando enzimas microbianas como a frutosiltransferase (FTase, E.C.2.4.1.9) e sacarose como substrato. Dentre os microrganismos potencialmente produtores destas enzimas, destaca-se o Aspergillus oryzae IPT-301, sintetizando FTase micelial (enzima aderida às células microbianas) com elevada atividade de transfrutosilação (AT). Atualmente, a produção de FOS é conduzida em biorreatores batelada, um processo lento e oneroso. Portanto, torna-se necessário a implementação de sistemas de reação contínuos, em reatores de leito fixo (PBR), que aumentem o volume de produção de FOS e diminuam seus custos de produção. Logo, o uso de biocatalisadores na forma de células íntegras para a produção do açúcar torna-se vantajoso por exibirem suporte natural para a própria enzima. Diante disso, este trabalho teve como objetivo imobilizar, por reticulação com glutaraldeído, células íntegras de A. oryzae IPT-301 e avaliar seus efeitos biocatalíticos quando empacotadas em reator de leito fixo (PBR), visando obter elevada atividade enzimática para a produção de FOS. Inicialmente, buscou-se desenvolver o biocatalisador por meio da produção e imobilização das células íntegras microbianas e, posteriormente, implementar o processo contínuo de produção do açúcar em reator PBR, para avaliação dos efeitos biocatalíticos da biomassa imobilizada. Para o desenvolvimento do biocatalisador, investigou-se a influência das variáveis de imobilização (pH, temperatura, concentração de glutaraldeído e velocidade de agitação) na atividade AT por diferentes técnicas de planejamento experimental. A partir das melhores condições de imobilização alcançadas (pH 7,9; 25 ºC, 200 rpm e 2,1 % v v-1 de glutaraldeído), foram investigados diferentes tempos de reação (30, 45, 60, 75 e 90 min) para o processo, obtendo-se os maiores valores de AT ao se reticular a biomassa microbiana por 45 min. Os resultados obtidos mostram o desenvolvimento promissor de um biocatalisador com elevada atividade enzimática. Para a implementação das células íntegras reticuladas em reator PBR, avaliou-se a influência da altura do leito catalítico (20, 15 e 10 cm), da temperatura do meio reacional (30, 40, 50 e 60 ºC), da concentração de substrato (200, 300, 400, 473, 500 e 600 g L-1) e da vazão volumétrica (1,0, 2,0, 3,0, 4,0 e 5,0 mL min-1) nos perfis de AT. Também foram obtidos os parâmetros cinéticos mediante ajustes do modelo cinéticos aos dados experimentais e, por fim, realizados estudos de transferência de massa externa (TME) e ensaios de estabilidade operacional, na ausência e presença de corrente de reciclo, no reator PBR. Foram alcançados os melhores perfis de atividade enzimática para o reator recheado com 20 cm de leito catalítico, contendo células íntegras reticuladas com diâmetro equivalente de 2,58 ± 0,3 mm, operado a 50 ºC e alimentado com solução de sacarose de 473 g L-1, pH 5,5, a uma vazão de 1,0 mL min-1. A cinética enzimática foi melhor ajustada ao modelo de Michaelis-Menten. Observou-se ainda que a reação foi limitada pelos efeitos de TME. Os ensaios de estabilidade operacional mostraram que, ao se implementar a corrente de reciclo no reator, obteve-se um aumento de 60 % na AT relativa, cuja atividade enzimática máxima foi mantida a partir de 540 min de reação. Diante dos resultados obtidos, concluiu-se que a implementação do processo contínuo, visando a produção de FOS, mostrou-se promissora ao se alcançar perfis elevados de atividade enzimática em reator PBR recheado com células íntegras reticuladas.
Acesso aberto (Open Access)
Imobilização de frutosiltransferase microbiana em gel de alginato e sua caracterização para a produção de frutooligossacarídeos
(Universidade Federal de Alfenas, 2019-02-19) Gonçalves, Maria Carolina Pereira; Kieckbusch, Theo Guenter; Silva, Mariana Altenhofen Da; Sancinetti, Giselle Patrícia
Frutooligossacarídeos (FOS) são moléculas de sacarose contendo unidades frutosil ligadas pela posição β (2→1). Esses prébióticos são edulcorantes com baixo poder calórico muito utilizados em formulações na indústria de alimentos e farmacêutica. A obtenção de FOS via rota enzimática, utilizando a sacarose como substrato e enzimas de origem microbiana denominadas frutosiltransferases (FTases) vem sendo estudada pelo IPT (São Paulo), que utiliza cepas do fungo Aspergillus oryzae para a obtenção do extrato micelial. Pesquisas em andamento no Laboratório de Bioprocessos da UNIFAL, em conjunto com o IPT, utilizam esses extratos para avaliar e otimizar a produção de FOS. A presente proposta visa complementar essas investigações, através da imobilização do extrato micelial previamente reticulado com glutaraldeído por meio de aprisionamento em esferas de alginato de cálcio ou de bário. Inicialmente foram avaliadas as condições de obtenção das esferas como formulação, tipo de alginato, nível de dispersão mecânica do micélio, grau de reticulação e seus reflexos sobre características do material obtido (diâmetro e aparência das esferas, resistência mecânica, estabilidade na estocagem). A otimização das condições de aprisionamento se baseou na atividade enzimática sob condições padrão de reação e foi complementada conduzindo a reação de transfrutosilação em batelada, sob diferentes temperaturas, pHs, concentrações de substrato e com o reuso das esferas. A condição de imobilização que proporcionou os mais altos rendimentos de FOS utilizou o alginato de baixa viscosidade (4,0% m/m) reticulado com cloreto de cálcio na concentração de 0,2 mol.L-1, e com as esferas de menor diâmetro. Essas condições ótimas geraram partículas mais esféricas, homogêneas, porosas e sem rachaduras na superfície, com maior resistência à compressão mecânica e maior estabilidade com relação ao tempo de estocagem a 4°C. A temperatura de 50 ºC, o pH de 5,5 e a concentração de substrato de 400 g.L-1 forneceram as máximas atividades de transfrutosilação (ATs) e seletividades. Os valores de AT encontrados com o biocatalisador reticulado com glutaraldeído, desintegrado e então imobilizado foram cerca de 70% maiores do que com a biomassa livre, não triturada. Os ensaios de estabilidade frente ao pH mostraram que a biomassa livre foi estável em uma faixa de pH entre 4,5 e 6,5, e o biocatalisador imobilizado na faixa de 5,5 a 7,5. Parâmetros termodinâmicos indicaram que a imobilização da biomassa proporcionou um aumento da termoestabilidade. A aplicação do biocatalisador em ensaios de estabilidade operacional confirmou que a biomassa imobilizada permaneceu estável após seis ciclos de utilização, de 1 hora cada, com uma atenuação de apenas 4% da atividade inicial, enquanto que a taxa de degradação da atividade do biocatalisador livre era de cerca de 10% por ciclo. Em ciclos de esgotamento total da sacarose no meio reacional (4 horas) a biomassa imobilizada reteve 92% de sua atividade inicial até o terceiro ciclo, enquanto que com a biomassa livre houve uma queda constante de 15% na AT por ciclo de uso. Com relação à cinética da reação enzimática, o modelo de Hill ajustou-se de maneira mais satisfatória aos dados do que o modelo de Michaelis-Menten (MM), havendo uma redução no valor de Km (MM) e de K0,5 (Hill) e um aumento na velocidade máxima de reação ao utilizar o biocatalisador imobilizado em relação à biomassa livre. O conjunto de todos esses ganhos expressivos evidencia a potencialidade da aplicação da FTase micelial de Aspergillus oryzae IPT-301 na produção de FOS após a reticulação do micélio com glutaraldeído e de seu envolvimento por alginato de cálcio.
Acesso aberto (Open Access)
Implantação de um sistema de gestão de qualidade em uma planta de produção de frutooligossacarídeos
(Universidade Federal de Alfenas, 2023-03-10) Nascimento, Thayná Berenike Silva; Morales, Sergio Andres Villalba; Ferraço, Fabio; Maiorano, Alfredo Eduardo
Num contexto mundial de modernização, o desenvolvimento de tecnologias inovadoras precisa estar alinhado com as demandas de qualidade e competitividade do mercado no sentido de facilitar o desenvolvimento de novas empresas e suportar a sua gestão da qualidade. Além de dar suporte no atendimento de requisitos regulatórios, a implantação de normas de qualidade, como a ISO 9001:2015, permite aumentar a satisfação dos clientes, entregar produtos de maior qualidade, mais seguros e estruturar os processos internos de uma organização. Particularmente, no cenário da indústria alimentícia e farmacêutica destaca-se o consumo de frutooligossacarídeos (FOS), que são açúcares prebióticos, fibras solúveis e não cariogênicos. Sua produção tem sido desenvolvida pelos pesquisadores do grupo de Tecnologia Enzimática e de Bioprocessos da UNIFAL-MG com o uso de biocatalisadores estáveis em reatores contínuos mediante a imobilização de células íntegras de Aspergillus oryzae IPT-301 em esponja de poliuretano e tem motivado estudos técnico-econômicos para uma futura implantação inédita de uma planta de produção no Brasil. Neste sentido, este trabalho apresentou uma metodologia de 7 fases para implantação do Sistema de Gestão da Qualidade a partir da ISO 9001:2015, com orientações e informações que permitirão o atendimento dos requisitos mínimos para obtenção de uma certificação na norma quando a planta estiver em operação. A avaliação de contexto interno e externo, incluiu os requisitos legais para comercialização de dois tipos de produtos, um adoçante de mesa e um suplemento alimentar com alegação de propriedade funcional, a apresentação dos processos, interações, identificação de riscos e oportunidades associados, bem como uma matriz SWOT para direcionar as atividades de gestão estratégica da planta. Destaca-se como vantagens deste processo inédito o uso de tecnologia totalmente nacional, formação do grupo por equipe multidisciplinar com experiência, baixos custos de matéria-prima (açúcar), falta de concorrência no mercado nacional, alto interesse público e privado no tema e possibilidade de patente do processo. Há de se levar em conta, porém, os riscos identificados tais como falta de investimento para a estrutura da planta, longo período para atendimento das regulamentações, alto custo dos coadjuvantes e incerteza na purificação do FOS. O conteúdo apresentado não é exaustivo e precisará ser revisado e atualizado quando, de fato, a planta estiver atuante, todavia o trabalho permitiu que a liderança do grupo de pesquisa entendesse as necessidades que surgirão e, assim, possam se preparar de forma estratégica para o futuro de suas atividades.
Acesso aberto (Open Access)
Implementação de reator de leito fixo empacotado com biomassa catalítica de Aspergillus oryzae IPT-301 para a produção de frutooligossacarídeos
(Universidade Federal de Alfenas, 2020-03-27) Dias, Giancarlo De Souza; Perna, Rafael Firmani; Maiorano, Alfredo Eduardo; Rolemberg, Marlus Pinheiro
Frutooligossacarídeos (FOS) são açúcares prebióticos de baixa caloria que apresentam diversos benefícios à saúde humana. São disponibilizados comercialmente mediante produção sintética, por reação de transfrutosilação, utilizando enzimas microbianas como a frutosiltransferase (FTase, E.C.2.4.1.9) e sacarose como substrato. Dentre os microrganismos potencialmente produtores destas enzimas, destaca-se o Aspergillus oryzae IPT-301, sintetizando FTase micelial (enzima aderida a biomassa microbiana) com elevada atividade de transfrutosilação (At). Atualmente, a produção de FOS é conduzida em biorreatores em batelada, um processo lento e oneroso. Portanto, torna-se necessária a implementação de sistemas de reação contínuos, em reatores de leito fixo (PBR), que aumentem o volume de produção de FOS e diminuam seus custos de produção. Para isso, o uso de biocatalisadores na forma de células íntegras (biomassa catalítica) para a produção do açúcar torna-se vantajoso por exibirem suporte natural para própria enzima. Diante deste contexto, este trabalho propôs implementar um sistema de reação contínuo em reator PBR, empacotado com biomassa catalítica de Aspergillus oryzae IPT-301, visando obter elevada atividade de transfrutosilação para a produção de FOS. Para isso, buscou-se, inicialmente, avaliar a influência dos parâmetros de projeto (diâmetro das esferas de biomassa e altura do leito catalítico) no tempo médio de residência, por meio da caracterização da Distribuição do Tempo de Residência (DTR). Entretanto, por se tratar de um leito poroso, foi necessário saturar a biomassa catalítica com azul de metileno (AM) para reduzir os erros associados a adsorção do corante no leito catalítico. Posteriormente, foi estudada a influência da temperatura do meio reacional (40 ºC, 50 ºC e 60 ºC), da concentração de sacarose (173 g L-1 a 573 g L-1) e da vazão volumétrica de alimentação de substrato (5,0 mL min-1 a 20,0 mL min-1) nos perfis de atividade de transfrutosilação. Também foram obtidos os parâmetros cinéticos mediante ajustes dos modelos de Michaelis-Menten e Hill aos dados experimentais e, por fim, realizados estudos de transferência de massa interna (TMI) e externa (TME) assim como ensaios de estabilidade operacional com e sem reciclo no reator PBR. Para a saturação da biomassa catalítica in situ, foram necessários dois ciclos de adsorção/purga e, como a melhor condição de projeto, obteve-se um leito catalítico de 13,0 cm de altura constituído por esferas de biomassa de 6,0 ± 0,4 mm de diâmetro. Os melhores perfis de atividade enzimática foram obtidos operando o reator PBR a 50 ºC, alimentado com solução de sacarose de 473 g L-1, pH 5,5, a uma vazão volumétrica de 11,5 mL min-1. A cinética enzimática foi melhor ajustada ao modelo de Michaelis-Menten. Sob essas condições, permitiu-se observar que a reação não foi limitada pelos efeitos de TMI e TME. Os ensaios de estabilidade operacional mostraram, nos primeiros 420 min de reação, uma redução de 25 % na atividade enzimática, mantendo-se estável após esse período. Comparado ao processo batelada, sob as mesmas condições operacionais, verificou-se que o processo contínuo apresentou os melhores resultados para a atividade de transfrutosilação e estabilidade operacional. Diante dos resultados obtidos, pode-se concluir que a implementação do processo contínuo, para a produção de FOS, mostrou-se promissora ao se alcançar perfis elevados de atividades enzimáticas em reator PBR recheado com biomassa catalítica microbiana.
Acesso aberto (Open Access)
Implementação de reator de leito fixo recheado com biomassa microbiana encapsulada em alginato para a produção de frutooligossacarídeos
(Universidade Federal de Alfenas, 2020-05-08) Prata, Mateus Galvão; Perna, Rafael Firmani; Xavier, Michelle Da Cunha Abreu; Villalba Morales, Sergio Andres
Frutooligossacarídeos (FOS) são oligômeros de cadeia curta, constituídos por polímeros de frutose ligados à sacarose. Os FOS são classificados como prebióticos devido aos excelentes benefícios fisiológicos ocasionados pela sua ingestão regular. Os resultados promissores alcançados pela aplicação de frutosiltransferases (FTase) procedentes do fungo Aspergillus oryzae micelial imobilizado em matriz de alginato de cálcio na produção de FOS em regime batelada, subsidiam a transposição do processo para o regime de fluxo contínuo. Diante disso, este trabalho propôs a implementação de um reator de leito fixo (PBR) enzimático aplicado na produção de FOS via reação de transfrutosilação. A influência da temperatura e da vazão na atividade enzimática foi investigada por meio de delineamento composto central rotacional com triplicata no ponto central. Foi realizado, ainda, o estudo dos efeitos da concentração de substrato e da vazão volumétrica de alimentação na atividade do biocatalisador e obtidos os parâmetros cinéticos da reação enzimática. Os parâmetros de transferência de massa foram estimados e avaliou-se a estabilidade operacional do processo na ausência e presença de reciclo. As superfícies de resposta e curvas de contorno foram construídas e obteve-se, como os melhores parâmetros operacionais, a reação conduzida a 50°C, com o reator alimentado com solução de sacarose 400g.L-1 a uma vazão de 7,5mL.min-1. A respeito da cinética enzimática, os dados experimentais foram ajustados pelo modelo corporativo de Hill, indicando afinidade positiva entre enzima e substrato. O coeficiente de transferência de massa externo (k_c=1,0x10^(-2) m.s^(-1)) e o fator efetividade (η_m=0,974)η_m, calculado para a transferência de massa interna à partícula, comprovaram a baixa limitação imposta pelas etapas de transporte mássico à taxa de desenvolvimento da reação. O estudo da estabilidade operacional indicou retenção de 96 % da atividade enzimática após 12h de processo. Portanto, pode-se concluir que a implementação de reator PBR, recheado com biocatalisador encapsulado em gel de alginato de cálcio, mostrou-se promissora para a aplicação na produção enzimática de FOS.
Acesso aberto (Open Access)
Produção e caracterização da enzima frutosiltransferase de Aspergillus oryzae IPT-301 visando a obtenção de frutooligossacarídeos
(Universidade Federal de Alfenas, 2017-05-12) Cunha, Josivan De Sousa; Perna, Rafael Firmani; Miranda, Everson Alves; Hirata, Daniela Battaglia; Tardioli, Paulo Waldir
Os frutooligossacarídeos (FOS) são oligômeros de frutose, cujas unidades frutosil estão ligadas na posição β-(2→1) na molécula de sacarose. Esses açúcares, de baixa caloria, são classificados com prebióticos, não são cariogênicos, podem ser usados por diabéticos, são de 0,4 a 0,6 vezes menos doce que a sacarose, sendo amplamente utilizados pelas indústrias farmacêutica e de alimentos como açúcares funcionais. Apesar dos FOS serem produzidos naturalmente por enzimas presentes em diversos vegetais, são disponibilizados comercialmente por meio da produção sintética, utilizando enzimas de origem microbiana como as frutosiltransferases (FTases, E.C.2.4.1.9) e sacarose como principal substrato. Diante deste contexto, o presente trabalho teve como objetivo a produção de FTases extracelular e micelial de Aspergillus oryzae IPT-301 por fermentação submersa aeróbia utilizando meio de cultura sintético, assim como a caracterização e estudos cinéticos das enzimas produzidas. Também foram investigados os efeitos da temperatura e pH do meio reacional nas atividades enzimáticas mediante técnica de planejamento experimental. Para a produção de FTases foi necessário o cultivo do micro-organismo em meio de cultura estéril e a fermentação foi conduzida em agitador orbital do tipo shaker. Com o caldo de fermentação filtrado e o micélio úmido foi possível determinar as atividades de transfrutosilação (quantidade de enzima necessária para produzir 1 µmol de FOS por minuto nas condições experimentais) e hidrolítica (quantidade de enzima necessária para liberar 1 µmol de frutose por minuto nas condições experimentais) extracelular e micelial, respectivamente, para as diferentes condições experimentais avaliadas. A concentração máxima de biomassa celular obtida foi de 9,35 ± 1,26 g.L-1 em 48 h de fermentação, sendo que em 76 h, houve a produção de 7,51 ± 1,57 g.L-1, período em que ocorreu a acidificação do caldo fermentado (pH 4,82). As condições nas quais a enzima extracelular obteve maior atividade de transfrutosilação foi aquela produzida em 64 h de fermentação, incubada na faixa de pH 4,5-6,0, temperatura reacional de 50 °C, concentração de sacarose a partir de 296,0 g.L-1, apresentando estabilidade entre 30 e 35 ºC e em pH 6,0. Por outro lado, a FTase micelial mostrou sua máxima atividade quando produzida em 72 h de fermentação, incubada na faixa de pH 4,5-6,0, temperatura reacional entre 45-55 °C, concentração de substrato igual a 470,6 g.L-1, indicando estabilidade para faixas de pH entre 6,0-8,0 e temperatura entre 30-40 ºC. A FTase extracelular apresentou cinética michaeliana em relação à concentração de substrato, exibindo valores de Vmax igual a 16,23 U.mL-1 e Km de 50,41 g.L-1 , enquanto a FTase micelial ajustou-se satisfatoriamente ao Modelo de Hill, cujos valores dos parâmetros Vmax, K0,5 e n foram iguais a 342,23 U.g-1 e 234,73 g.L-1 e 1,41, respectivamente. O estudo da influência do tempo e da temperatura reacional na síntese de FOS mostrou que a FTase extracelular produziu maior concentração de FOS a 50 °C, enquanto a FTase micelial a 40°C. A otimização do processo para a obtenção de FOS comprovou que a zona ótima da FTase extracelular (em que elevada atividade de transfrutosilação e baixa atividade hidrolítica são esperadas) ocorreu nas faixas de temperatura entre 45-50 °C e de pH entre 5,5-6,75. Para a FTase micelial, apenas a atividade de transfrutosilação ajustou-se satisfatoriamente ao modelo quadrático com interação, cuja zona ótima ocorreu em temperaturas superiores a 46 °C e valores de pH abaixo de 6,5. Os resultados obtidos atestaram que o fungo se destacou como fonte produtora de FTases e, estas, por sua vez, mostraram-se promissoras para a obtenção de FOS em escala laboratorial.
Acesso aberto (Open Access)
Síntese, modelagem, simulação e análise técnica-econômica de uma planta de produção de biocatalisadores heterogêneos para obtenção de fruto-oligossacarídeos
(Universidade Federal de Alfenas, 2023-12-08) Silva, Guilherme Ferreira Da; Perna, Rafael Firmani; Elias, Andrew Milli; Rolemberg, Marlus Pinheiro
Os fruto-oligossacarídeos (FOS) são açúcares prebióticos de baixa caloria que promovem uma série de benefícios à saúde e nutrição humana e animal. Podem ser produzidos pela reação de transfrutosilação em moléculas de sacarose, catalisada por enzimas frutosiltransferases (FTase E.C.2.4.1.9) aderidas às células microbianas. O uso da enzima solúvel na produção de FOS pode causar instabilidade na estrutura tridimensional quando isolado do seu ambiente natural e possível perda de atividade devido às condições do processo ou inibição pelo substrato e/ou produto. Com isso a imobilização de células em materiais de suporte permite obter biocatalisadores heterogêneos robustos com elevada atividade, especificidade e seletividade, ao passo que a reticulação das células imobilizadas permite produzi-los com maior estabilidade operacional, possibilitando a aplicação em sistemas reacionais contínuos. As esponjas de poliuretano (EPU) são suportes indicados para a imobilização de células por apresentarem estabilidades térmica e mecânica, além de tamanho e distribuição de poros que possibilitam a difusão gasosa e de substrato, essenciais para o crescimento microbiano. Neste contexto, propõe-se realizar a síntese, modelagem, simulação, análise técnica-econômica (ATE) e de sensibilidade de uma planta de produção de biocatalisadores heterogêneos visando a síntese de FOS a partir de células de Aspergillus oryzae IPT-301, com atividade de transfrutosilação, imobilizadas em cubos de EPU. As simulações foram realizadas no software EMSO para os cenários envolvendo células imobilizadas e reticuladas em EPU (Cenário A) e apenas para células imobilizadas em EPU (Cenário B) mediante o processamento de 4,5 kg/h de sacarose VHP (Very High Polarization) utilizada como substrato. No cenário A foram obtidos 2,776 kg/h do biocatalisador heterogêneo com gasto energético de 6,298 kW, enquanto no cenário B foram produzidos 2,789 kg/h do biocatalisador com gasto energético de 6,167 kW. Para ambos os cenários, obteve-se uma produtividade de 2,812 kg/m3 .h do biocatalisador heterogêneo. Os processos apresentaram elevados custos de produção, acarretando um preço mínimo de venda maior que o valor proposto de 420 US$/kg para o cenário A (437,285 US$/kg) e 210 US$/kg para o cenário B (376,296 US$/kg). Além disso, ambos os cenários obtiveram um VPL negativo, tornando os processos inviáveis do ponto de vista econômico. Nas análises de sensibilidade, constatou-se que o cenário B necessita de uma grande alteração no preço de venda para ser economicamente viável. Entretanto, pequenas alterações nas variáveis do cenário A possibilitam tornar o processo viável, visto que as células imobilizadas e reticuladas em EPU apresentam maior atividade enzimática e, portanto, impactam positivamente no aumento da produção de FOS.

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Navegando Mestrado em Engenharia Química por Assunto "Aspergillus oryzae."