Modelagem e simulação da síntese enzimática de oligossacarídeos catalisada por dextrana-sacarase usando sacarose como substrato e maltose como aceptor

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2019
Autor(a) principal: Magalhães, Madson Linhares
Orientador(a): Fernandes, Fabiano André Narciso
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/42204
Resumo: Food has great importance in the maintenance of health, due to this, foods like oligosaccharides, have been gaining space in the world market. Oligosaccharides are non-digestible carbohydrates, with degree of polymerization (DP) between 3 and 10 monomers, which have prebiotic action, beneficially altering the intestinal microbiota. Recent studies show large applications of oligosaccharides in the food, cosmetic and pharmaceutical industries. Dextransucrase is an enzyme that can produce different oligosaccharides depending on the acceptor used. As there are not many studies on the enzymatic kinetics of these compounds, this work aims at the development of a mathematical model for the synthesis of oligosaccharides catalyzed by dextransucrase using sucrose as substrate and maltose as acceptor. Three models were developed: 1) synthesis of oligosaccharides only; 2) synthesis of oligosaccharides and dextran by the same active site; 3) synthesis of oligosaccharides and dextrans by different sites. All models were developed approaching techniques of polymerization kinetics such as: initiation / formation, propagation and termination steps. The model parameters were adjusted by the Levenberg-Marquardt method. The implementation of the models and simulations were performed using the Python programming environment. The third model was the one that best represented the experimental data, presenting a standard residual deviation of 7.06% for the total oligosaccharides in the experiments used to adjust the parameters. These deviations were 1.63% and 8.49% with the two data sets used for validation. Model 3 predicted the molecular weight distribution for dextran, being a differential, since most models found in the literature do not capture this information. After validation of model 3, simulations were performed to evaluate the best form of large-scale operation. The following modes of operation were simulated: batch, batch, semi-batch, with fixed feed, half-batch with feed in pulses equally spaced in time and semi-batch with feed varying with time. The best strategy was the semi-batch with fixed feed, presenting a higher production of oligosaccharides with DP5 and DP6. This operational strategy was optimized using the particle swarm (PSO) method to maximize the production of oligosaccharides. Optimized conditions were obtained with an initial reaction volume of 1 m3 with concentrations of 40 and 45 g / L of sucrose and maltose and the fixed feeds of 109.1 and 235.1 L / h of sucrose and maltose, respectively.
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Dextransucrase is an enzyme that can produce different oligosaccharides depending on the acceptor used. As there are not many studies on the enzymatic kinetics of these compounds, this work aims at the development of a mathematical model for the synthesis of oligosaccharides catalyzed by dextransucrase using sucrose as substrate and maltose as acceptor. Three models were developed: 1) synthesis of oligosaccharides only; 2) synthesis of oligosaccharides and dextran by the same active site; 3) synthesis of oligosaccharides and dextrans by different sites. All models were developed approaching techniques of polymerization kinetics such as: initiation / formation, propagation and termination steps. The model parameters were adjusted by the Levenberg-Marquardt method. The implementation of the models and simulations were performed using the Python programming environment. The third model was the one that best represented the experimental data, presenting a standard residual deviation of 7.06% for the total oligosaccharides in the experiments used to adjust the parameters. These deviations were 1.63% and 8.49% with the two data sets used for validation. Model 3 predicted the molecular weight distribution for dextran, being a differential, since most models found in the literature do not capture this information. After validation of model 3, simulations were performed to evaluate the best form of large-scale operation. The following modes of operation were simulated: batch, batch, semi-batch, with fixed feed, half-batch with feed in pulses equally spaced in time and semi-batch with feed varying with time. The best strategy was the semi-batch with fixed feed, presenting a higher production of oligosaccharides with DP5 and DP6. This operational strategy was optimized using the particle swarm (PSO) method to maximize the production of oligosaccharides. Optimized conditions were obtained with an initial reaction volume of 1 m3 with concentrations of 40 and 45 g / L of sucrose and maltose and the fixed feeds of 109.1 and 235.1 L / h of sucrose and maltose, respectively.A alimentação tem grande importância na manutenção de saúde, devido a isso, alimentos como os oligossacarídeos, vêm ganhando espaço no mercado mundial. Oligossacarídeos são carboidratos não digeríveis, com grau de polimerização (DP) entre 3 e 10 monômeros, que possuem ação prebiótica, alterando beneficamente a microbiota intestinal. Estudos recentes mostram grandes aplicações de oligossacarídeos nas indústrias alimentícia, cosmética e farmacêutica. A dextrana-sacarase é uma enzima que pode produzir diferentes oligossacarídeos dependendo do aceptor utilizado. Como não há muitos estudos sobre a cinética enzimática destes compostos, este trabalho visa o desenvolvimento de um modelo matemático para a síntese de oligossacarídeos catalisada por dextrana-sacarase usando sacarose como substrato e maltose como aceptor. Foram desenvolvidos três modelos: 1) síntese apenas de oligossacarídeos; 2) síntese de oligossacarídeos e dextranas pelo mesmo sítio ativo; 3) síntese de oligossacarídeos e dextranas por sítios diferentes. Todos os modelos foram desenvolvidos abordando técnicas da cinética de polimerização como: etapas de iniciação/formação, propagação e terminação. Os parâmetros dos modelos foram ajustados pelo método de Levenberg-Marquardt. A implementação dos modelos e simulações foram realizadas usando o ambiente de programação computacional Python. O terceiro modelo foi o que representou melhor os dados experimentais, apresentando um desvio residual padrão de 7,06 % para os oligossacarídeos totais nos experimentos usados para o ajuste dos parâmetros. Estes desvios foram de 1,63 % e 8,49 % com os dois conjuntos de dados usados para validação. O modelo 3 predisse a distribuição de pesos moleculares para a dextrana, sendo um diferencial, pois a maioria dos modelos encontrados na literatura não captam essa informação. Após a validação do modelo 3, realizaram-se simulações para avaliar a melhor forma de operação em larga escala. Simularam-se as seguintes formas de operação: batelada, semi-batelada com alimentação fixa, semi-batelada com alimentação em pulsos espaçados igualmente no tempo e semi-batelada com alimentação variando com tempo. A melhor estratégia foi a semi-batelada com alimentação fixa, apresentando uma maior produção de oligossacarídeos com DP5 e DP6. Otimizou-se esta estratégia operacional por meio do método do enxame de partículas (PSO) visando maximizar a produção de oligossacarídeos. As condições otimizadas foram obtidas com um volume reacional inicial de 1 m3 com concentrações de 40 e 45 g/L de sacarose e maltose e as alimentações fixas de 109,1 e 235,1 L/h de sacarose e maltose, respectivamente.Engenharia químicaModelagem matemáticaOligossacarídeosPolimerizaçãoMathematical modelingOligosaccharidesPolymerizationModelagem e simulação da síntese enzimática de oligossacarídeos catalisada por dextrana-sacarase usando sacarose como substrato e maltose como aceptorinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFCinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINAL2019_tese_mlmagalhaes.pdf2019_tese_mlmagalhaes.pdfapplication/pdf3961886http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/42204/1/2019_tese_mlmagalhaes.pdf4d18f3ded8d1594ea07c8d7315703f3fMD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/42204/2/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD52riufc/422042020-09-22 14:04:47.671oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2020-09-22T17:04:47Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false
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