Desenvolvimento de bioprocesso para formulação de aditivo probiótico composto de esporos de Bacillus subtilis var. subtillis B-3666, utilizando subprodutos das indústrias de soja e cana, com aplicação no setor de nutrição animal

Orientador: Prof. Dr.Carlos Ricardo Soccol

Coorientadora: Drª Sandra Regina Barroso Ruíz Sella

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia. Defesa : Curitiba, 28/09/2018

Inclui referências

Área de concentração: Biotecnologia Agroalimentar e Saúde Humana e Animal

Resumo: No Brasil e no mundo observa-se um aumento na producao pecuaria e tambem na producao de frangos. Na avicultura industrial moderna, o sistema artificial de producao afeta o desenvolvimento da flora intestinal dos animais de forma marcante, pela falta de contato com uma microbiota natural. O uso de antibioticos com a finalidade de obter ganho de peso e de melhorar a conversao alimentar evoluiu para uma aplicacao generalizada na industria de alimentacao animal, causando problemas de seguranca alimentar e resistencia microbiana. Neste sentido, os probioticos sao uma alternativa segura e proeminente ao uso de antibioticos, em virtude de beneficios a saude, seguranca e melhora de desempenho. Os produtos disponiveis no mercado possuem em sua formulacao ingredientes sinteticos, o que dificulta a aplicacao em larga escala. Portanto, o objetivo deste trabalho foi produzir um aditivo probiotico composto de esporos de B. subtilis var. subtilis B-3666, por meio do desenvolvimento e otimizacao de bioprocesso, que utiliza subprodutos agroindustriais de soja e cana (abundantes na regiao sul do Brasil), visando a obtencao de um produto de baixo custo, alta qualidade, gerado em um processo de alta produtividade, com aplicabilidade no setor avicola e demais setores agropecuarios. Na primeira etapa foi realizada a avaliacao dos diferentes residuos e subprodutos da agroindustria na composicao do meio de esporulacao, por fermentacao de estado solido, em escala laboratorial, com o objetivo de a selecao de substrato e suporte, baseados em parametros como disponibilidade, custo e produtividade. Os melacos de soja e cana, como substrato, e a casca de soja como suporte, forneceram uma produtividade de 2,9 x 1010 UFC/g massa de seca em 96 horas de cultivo. Posteriormente, foi realizada a otimizacao das principais variaveis do processo, atraves de uma sequencia de planejamentos experimentais, com a utilizacao de, paralelamente, os substratos: melaco de soja e melaco de cana. Os resultados foram de 9,7 x 1013UFC/g de massa seca para o substrato melaco de soja e 6,9 x 1012UFC/g de massa seca para o substrato melaco de cana, com adicao de extrato de levedura (3g%) e milhocina (3g%), respectivamente, como fontes de nitrogenio. A etapa de escalonamento foi conduzida somente com o melaco de cana, em virtude de sua maior disponibilidade comercial. Foram avaliados diferentes tipos de biorreatores (bandeja, vidro e saco plastico ou bag), o processo escalonado foi otimizado e validado, e a cinetica de esporulacao determinada. O reator tipo bandeja forneceu a maior produtividade de esporos, 2,3 x 1013 UFC/g de massa seca em 48 horas de cultivo, pH inicial 7,0}0,5 e umidade inicial 65%, altura do leito 3,0 cm. O produto final foi caracterizado quanto ao perfil bioquimico da cepa, e estudos de estabilidade. As caracteristicas principais da cepa foram mantidas e a quantificacao de esporos conservou-se por ate 60 dias (tempo maximo do estudo). O processo desenvolvido, foi otimizado em 03 logs, sendo inovador, com custos de materia prima de producao estimados em R$1,10. Nao foram encontrados processos analogos descritos na literatura, de alta produtividade, e o valor obtido foi superior ao de produtos similares disponiveis no mercado

Abstract: In Brazil and in the world has been regarded that livestock production has increased and the poultry production too. In modern broiler industry, the artificial production system affects strongly the development of the intestinal flora of the animals, by the lack of contact with a normal microflora. The use of antibiotics in order to obtain weight gain and improving feed conversion has evolved into a broad application in the animal feed industry, causing safety problems and microbial resistance. In this way, probiotics are safe and prominent alternative to the use of antibiotics because of health benefits, safety and performance improvement. The commercially available products have synthetic ingredients in its formulation, hampering the scale up application. Therefore, the aim of this work was to produce a probiotic additive compound of spores of B. subtilis var. subtilis B-3666, through the development and bioprocess optimization, using agroindustrial by-products of soy and sugar cane (abundant in southern Brazil), in order to obtain a low-cost product, high quality, generated in a high productivity process with applicability in the poultry industry and other agricultural sectors. In the first step, the evaluation of different waste and agricultural by-products on sporulation medium composition by solid state fermentation on a laboratory scale was performed, aiming the substrate and support selection based on criteria such as availability, cost and productivity. The soy and sugar cane molasses as substrate and soybean hulls as support, provide a 2.9 x 1010 CFU/g dry weight yield in 96 hours of cultivation. Afterwards, the optimization of process variables was performed through a sequence of experimentais designs, using in parallel, soy molasses and cane molasses substrates. The yield results were 9.7 x 1013UFC/g dry weight for the soy molasses substrate and 6.9 x 1012UFC / g dry mass to cane molasses substrate with added yeast extract (3g%) and corn steep liquor (3g%) respectively as nitrogenio sources. The scale up has been conducted only with cane molasses, by virtue of their greater commercial availability. Different types of bioreactor was evaluated (tray, glass and plastic Bag or bag), the scale up was optimized and validated, and the kinetic sporulation was performed. The tray-type reactor provided the highest spore yield, 2.3 x 1013CFU/g dry weight in 48 hours of cultivation, initial pH 7.0 } 0.5 and 65% initial moisture, bed height 3.0 cm. The final product was characterized as the biochemical strain profile, and stability studies. The main characteristics of the strain were maintained and the spore quantification was maintained for up to 60 days (maximum study time). The process developed has been optimized in 03 logs, being innovative, with production raw material costs estimated at R$ 1.10, as there is not others procedures described in the literature, has high yield, and the value obtained was higher than similar products available on the market