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Biotecnologia: do passado ao futuro
Daniel I. P. Atala
Engenheiro de Alimentos
Atala.d@gmail.com
Física para Poetas
Marcelo Gleiser – Universidade de Dartmouth
Resumo da Apresentação
PassadoLinha do tempoMistérios
Hoje Futuro
O que é Biotecnologia?
Biologia Química
Engenharia
ba
c
d
a = Engenharia Bioquímicab = Química Industrialc = Bioquímicad = Biotecnologia Industrial
Considerações
Os processos biotecnológicos vêm sendo utilizados pela humanidade desde a mais remota antiguidade.
A Biotecnologia somente passou a ser considerada altamente prioritária há relativamente pouco tempo.
A Multidisciplinar Biotecnologia
A Biotecnologia encontra muitas e diferentes aplicações importantes em vários segmentos de atividade: Agricultura Mineração Pecuária Saúde Indústria
Suas aplicações na indústria constituem o objetivo principal da chamada Biotecnologia Industrial.
A Multidisciplinar Biotecnologia
Agricultura: Cultura de Tecidos; Fixação de Nitrogênio; Controle Biológico de Pragas; Sementes.
Mineração: Cobre, urânio e zinco são exemplos de minerais
que podem ser recuperados através de lixiviação bacteriana.
A Multidisciplinar Biotecnologia
Pecuária: Inseminação Artificial; Transferência de Embriões;
Saúde Antibióticos; (+ 5000 tipos diferentes) Proteínas reguladoras do metabolismo; (inulina,
inteferon) Vacinas;
A Multidisciplinar Biotecnologia
Processos Fermentativos Enzimas; Ácidos Orgânicos; Aminoácidos; Vitaminas; Biopolímeros; Bioaromas;
Bebidas Alcoólica; Solventes; Microrganismos; Alimentos. Biocombustível Biomassa
Passado: A linha do Tempo
O uso da Biotecnologia teve o seu início com os processos fermentativos, cuja utilização transcende, de muito, o início da era Cristã, confundindo-se com a própria história da humanidade.
A produção de bebidas alcoólicas pela fermentação de grãos de cereias já era conhecida pelos sumérios e babilônios antes do ano 6.000 a.C.
6000 a.C.
Pré-História
Passado: A linha do Tempo
Mais tarde, por volta do ano 2.000 a. C., os egípcios, que já utilizavam o fermento para fabricar cerveja, passaram emprega-lo também na fabricação de pão.
6000 a.C.
2000 a.C.
Pré-História
O desconhecido
Misticismo; Bruxaria; Alquimistas.
Passado: A linha do Tempo
1150 - Produção de destilados a partir do vinho; 1300 – Estabelecimento da industria de vinagre; 1580 – Tycho Brahe monta um conjunto óptico para
observar o sistema solar. 1610 – Galileo inventa o telescópio
2000 a.C.
1150 d.C.
Era Pré-Pasteur
1300 d.C. 1580 d.C. 1610 d.C.
Passado: A linha do Tempo
1700 – Antonie van Leeuwenhoek inventa o microscópio
1610 d.C.
Era Pré-Pasteur
1700 d.C.
Passado: A linha do Tempo
1789 – Lavoisier mostra que fermentação produz CO2
1810 – Gay – Lussac deduz o balanço de massa da produção química do etanol a partir da glicose
C6H12O62 C2H5OH + 2 CO2
1700 d.C.
Era Pré-Pasteur
1789 d.C. 1810 d.C.
Passado: A linha do Tempo
1900 – Louis Pasteur:
1810 d.C.
1900 d.C.
Passado: A linha do Tempo
1900 – Louis Pasteur: provou que a causa das fermentações era a ação de seres minúsculos, os microrganismos, caindo por terra a teoria, até então vigente, que a fermentação era um processo puramente químico.
Foi ainda Pasteur que provou que cada tipo de fermentação era realizado por um microrganismo específico e que estes podiam viver e se reproduzir na ausência de ar.
1700 d.C.
1900 d.C.
Passado: A linha do Tempo
Foram as grandes guerras mundiais que motivaram a produção em escala industrial de produtos advindos de processos fermentativos.
A partir da primeira guerra, a Alemanha, que necessitava de grandes quantidades de glicerol para a fabricação de explosivos.
1900 d.C.
1° Guerra Mundial
Passado: A linha do Tempo
Por outro lado, a Inglaterra produziu em grande quantidade a acetona para a fabricação de munições, tendo essa fermentação contribuído para o desenvolvimento dos fermentadores industriais e técnicas de controle de infecções.
Produção de acetona, butanol, glicerol e ácido cítrico.
1900 d.C.
1° Guerra Mundial
Passado: A linha do Tempo
Foi, todavia, a produção de antibióticos o grande marco de referência na fermentação industrial. A partir de 1928, com a descoberta da penicilina por Alexandre Fleming, muitos tipos de antibióticos foram desenvolvidos no mundo
1° G.M.
1928
Passado: A linha do Tempo
Na década de 40, durante a segunda guerra mundial, os antibióticos passaram a integrar os processos industriais fermentativos, principalmente nos Estados Unidos, basendo-se inicialmente na síntese da penicilina e, posteriormente, da estreptomicina.
1928
1940
Passado: A linha do Tempo
1940-1960 Descoberta de muitos outros antibióticos; Produção industrial da Penicilina; Desenvolvimento de Bioreatores (sistema de aeração
e assepsia);
1940
1940-1960
Passado: A linha do Tempo
1950-1975: Nova Biotecnologia – Foi, todavia, a partir da década de 50 que a Biotecnologia, com a descoberta da síntese química do DNA, e com as técnicas de manipulação genética: DNA recombinante, fusão celular ou hibridoma, passou de fato a existir
1960
1950 - 1975
Passado: A linha do Tempo
1980 – Atual: Desenvolvimento de processos enzimáticos;
Engenharia Genética; Evolução dos bioprocessos; Evolução da informática; Modelagem e simulação de bioprocesos; Instrumentação e controle de Bioprocessos; Surgimento da Nanotecnologia
1975
1980 - 2006
Tendências para o Futuro
Tendências para o Futuro
Nanotecnologia; Engenharia Genética; Bioinformática; Modelagem e Simulação; Processos Fermentativos; Técnicas Analíticas; Seleção de novos M.O. em especial leveduras; Células Troncos Genoma
Conseqüências desta mistura!
Surgimento das Biorrefinarias; Surgimento de nanovacinas; Miniaturização de reatores bioquímicos; Desenvolvimento de biocatalizadores mais eficientes e
robustos; Desenvolvimento das bioindustrias;
Biorrefinaria
Sucroquímica
Frutose e glucose
Ác. Glucónico
Ác. cítrico
Ác. FumáricoÁcido oxálico
Ésteres de Sacarose
Ác. propiónico 2,3-Butanodiol
Aminoácidos
Ác. itacónico
Ácido oxálico
Ác. málico Xantan
1,3-Propanodiol
Dextran
Açúcar, caldo e melaço, (hexosas de bagaço)
PHB
Ácido láctico Polilactinas
PoliesteresSorbitol e
manitol
Glicerol
Levedura e derivados
Acetona e butanol
Álcool química
ETANOL
Óxido de etileno
Polietileno
Etileno
Butadieno
Cloroformo
Éter dietílico
Cloreto de etilo
Desidratação
Poliestireno
PVC
Glicóis
Poliésteres
Butanol
Anhidrido acético
Acetatos
Acetaldeido
Ácido Acético
Crotonaldehido
Etoxilados
Desidrogenação
Octanol
Química do Bagaço
Bagaço
pentosas
Derivados del furfural
furfural hexosas
celulosaAdesivos, plásticos,
surfactantes
Lignina
sucroquímicos
etanol
Xilosa e xilitol
Comunicação
Rede KyaTera – 1TeraBits/s (fibra ótica direto no micro) WebLabs – Laboratórios Reais com aplicações Virtuais
A revolução das Enzimas
Em um futuro não muito distante, todas as reações químicas serão substituídas por reações enzimáticas;
Biocatalizador imobilizado em suporte adequado; Biotranformações conduzidas em baixas condições de
pressão e temperatura.
A revolução das Enzimas
Técnicas Analíticas - PAT
Técnicas Analíticas - PAT
Instrumentação e Controle
Modelagem e Simulação em tempo real
Evaluation of optimization techniques for parameter estimation problems of ethanol fermentation considering the effect of
temperatureElmer Ccopa Rivera, Aline C. Costa, Daniel I. P. Atala, Francisco Maugeri, Maria R. Wolf Maciel, Rubens
Maciel FilhoProcess Biochemistry – in press
0
30
60
90
120
0 4 8 12 16 20 24
Eth
an
ol(k
g/m
3 )
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65
130
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260
0 4 8 12 16 20 24
TR
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g/m
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Quase-Newton (biblioteca Fortran) Runge-Kutta de 4ºordem Modelagem do processo 0
4
8
12
16
0 4 8 12 16 20 24
Time (h)
Bio
mas
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g/m
3)
Inteligência Artificial
Software Sensor
pH
TºC
CO2
Turbidez
Substratoin
X
S
P
Entrada CamadasIntermediárias Saída Com a utilização de
uma rede neural bem treinada dados simples de processo como pH, turbidez, CO2 entre outros podem ser usados para estimar variáveis mais complexas;
Obrigado!
Daniel Atala
daniel@ctc.com.br
(19) 3429-8150
www.ctc.com.br
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A evolução da Informática
Ábaco200 d.C.
Pescalina1642
+
Pescalina1673+ X /
A evolução da Informática
Tear com Cartão Perfurado1804
Máquina Diferencial1822
Função trigonométrica
A evolução da Informática
Máquina Analítica1834
Armazenava resultados
Tabulador Hollerich1890IBM
A evolução da Informática
Mark1 1943
•760.000 peças•800 km de fios•420 interruptores para controle•realizava uma soma em 0,3 s•realizava uma multiplicação em 0,4 s•e uma divisão em cerca de 10 s
A evolução da Informática
Colossus – 1943Desenvolvido para quebrar códigos alemães
•25000 caracteres/seg•2000 válvulas
EDVAC - 1951
A evolução da Informática
ENIAC – 1946 1º computador digitalde grande porte
•totalmente eletrônico•17.468 válvulas•500.000 conexões de solda•30 toneladas de peso•180 m² de área construída•5,5 m de altura•25 m de comprimento•2 vezes maior que MARK I•realizava uma soma em 0,0002 s•realizava uma multiplicação em 0,005 s com números de 10 dígitos
A evolução da Informática
LEO - 1951 Univac - 1952
Tradic - 1955
A evolução da Informática
Intel 4004 - 1971 Intel 8080 - 1974
MOS Technology 6502 - 1975
•bastante usado em computadores domésticos•4.300 componentes•soma 2 números de 8 bits em 1 milionésimos de segundo
•primeiro microprocessador
•2.250 componentes
•soma 2 números de 4 bits em 11 milionésimos de segundo
•tornou-se padrão para a indústria dos microcomputadores
•4.500 componentes
•soma 2 números de 8 bits em 2,5 milionésimos de segundo
A evolução da Informática
Bill Gates e Paul Alan 1975
PC 1975
A evolução da Informática
Informática Hoje
Computadores Dual Core 3GHz ou mais de velocidade de clock 3.000.000.000 operações de liga/desliga por segundo!!!
Informática Amanhã
Computador com centenas de núcleos Computador baseado em nanotecnologia Dispositivos de memórias Holográficas Outros… Realidade como Matrix e Minority Report
Modelagem Bioprocessos
Modelos Caixa-Preta
Microrganismo
Substrato + Produto
Modelagem Bioprocessos
Modelos Caixa-Cinza
Microrganismo
Substrato + Produto
Modelagem Bioprocessos
Modelos Caixa-Branca Estruturados
Microrganismo
Substrato + Produto
História do Álcool
História do Álcool
Os antigos egípcios deram o primeiro sinal. Curavam suas moléstias inalando vapor de líquidos fermentados
Os primeiros a destilar uma bebida foram os chineses.
Já os gregos tomaram a dianteira e registraram o processo de obtenção da "acqua ardens", entre 23 e 79 dC, batizada por Plínio, o Velho, de alkuru
História do Álcool
Suas propriedades transformaram a água ardente, que pegava fogo, em água da vida, por suas características medicinais. A "Eau de Vie" foi receitada como elixir da longevidade.
Com a expansão do Império Romano, a aguardente invadiu territórios e aprimorou sua tecnologia de produção.
História do Álcool
Na Itália, o destilado de uva ficou conhecido como "grappa".
A partir da cereja, a Alemanha desenvolveu o "kirch". A Escócia fez o uísque da cevada maltada. A Rússia destilou vários cereais para obter a vodca. Os japoneses utilizaram o arroz para produzir o saquê Em Portugal, a "bagaceira" era produzida com o
bagaço da uva.
História do Álcool - Uva
Grappa ou graspa ou bagaceira é uma bebida com teor alcoólico de 35% a 54% em
volume, a 20ºC, obtida a partir de destilados alcoólicos simples de bagaço de uva, com ou sem borras de vinhos, podendo ser retificada parcial ou seletivamente.
É admitido o corte com álcool etílico potável da mesma origem para regular o conteúdo de congêneres.
Licor de bagaceira ou grappa é a bebida com graduação alcoólica de 18º a 54º GL
História do Álcool - Uva
Conhaque é o produto decorrente da destilação de vinho,
geralmente contendo cerca de 40–60% graus Gay-Lussac por volume.
O nome em português é derivado da palavra francesa cognac,
Além do vinho, esta bebida destilada pode ser feita com suco de fruta fermentado.
É usualmente degustado após as refeições.
História do Álcool - Uva
Pisco é o nome de duas variedades diferentes de aguardente de
uva, produzidas no Chile e no Peru . É baseado fundamentalmente na destilação do
Fermentado proveniente de uvas. Enquanto Peru defende que é uma denominação de
origem (similar a Champanhe, por exemplo), o Chile discute que é um nome genérico (como vinho o uísque), defendendo que a denominação de sua variedade seja de "pisco chileno"
História do Álcool - Batatas
Aquavit ou Akvavit, é um destilado transparente de origem escandinava e é
servido, de preferência, muito gelado. O nome é oriundo do latim aqua vitae, isto é, água da vida.
O aquavit surgiu a primeira vez na Dinamarca e é uma bebida produzida a partir da destilação de batatas ou de cereais e redestilado com aromatizantes tais como grãos de alcaravia (Kümmel), anis-doce, coentro, endro, cravo e canela.
História do Álcool - Cereja
Kirschwasser ou Kirsch é uma bebida resultante da destilação do suco
fermentado de uma pequena cereja negra, típica da Alemanha. Apresenta coloração muito clara, pois não é envelhecida em carvalho, e ao contrário dos licores de cereja, não é uma bebida doce. Faz ainda parte da receita de fondue de queijo
História do Álcool - Cereja
Marrasquino é um licor fabricado a partir de cerejas selvagens, muito
utilizado em Itália. Difere do kirsch por lhe ser adicionada um pequena quantidade de mel e pelo fato de os caroços serem esmagados junto com o fruto
História do Álcool - Sisal
Mezcal e Tequila Assim como a tequila, o mezcal (ou mescal) é uma bebida
alcoólica destilada, produzida com o sumo do agave (Sisal). O mezcal diferencia-se da tequila por ser mais "rústica",
sendo em geral destilada apenas uma vez, contra duas ou três da tequila.
Além do processo de elaboração diferente, o mezcal não está enquadrado nas Normas do governo mexicano que regula toda a produção da tequila.
Larva da bebida
História do Álcool - Cereais
Gin é uma bebida destilada à base de cereais e zimbro. É
considerada uma bebida muito forte. Teve origem nos Países Baixos no século XVII.
Depois de destilado, o Gin sai do alambique com um teor alcoólico muito elevado, inapto ao consumo. Para reduzir essa teor alcoólico é adicionada água destilada. A aromatização é feita com bagas de zimbro, cujo óleo transmite à bebida o sabor que a caracteriza.
Seu teor alcoólico varia entre os 43 e 47º.
História do Álcool - Cereais
Vodca é uma popular bebida destilada, incolor, quase sem sabor
e com um teor alcoólico entre 35 e 60%. A vodca é a bebida nacional da Rússia. O nome vodca é
o diminutivo de "água" (agüinha) A vodca é um destilado obtido a partir de cevada, milho,
trigo, centeio, ervas, figos e batatas, fermentados; Fermentação – destilação – retificação – correção
História do Álcool - Cereais
Uísque (whisky ou whiskey) é uma bebida alcoólica destilada de grãos, muitas vezes
incluindo malte envelhecida em barris; Maturação de 8 anos em barril de carvalho a Escócia se tornou a pátria do melhor uísque do planeta.
Puro malte Blended (milho ou arroz) Uísque leve (destilação neutra + ginja)
História da Cachaça
A cana de açúcar chegou ao Brasil trazida da Ilha da madeira pelos portugueses, ainda no séc. XVII.
No engenho de Martin Afonso de Souza, da capitania de São Vicente, logo descobriram o vinho da cana, conhecido como "garapa azeda", líquido restante dos tachos de rapadura, que servia de alimento para os animais.
Estes animais, na sua grande maioria eram porcos (suínos) Cachaços - Cachaça
História da Cachaça
Inicialmente, os escravos passaram a tomar esta bebida apenas fermentada.
História da Cachaça
Foram eles também que começaram a destilar a mistura. Pinga Água-Ardente (Aguardente)
Produto típico brasileiro Melhoria da qualidade Melhoria da Produção Anísio Santiago / Havana (R$ 150,00/garrafa)
História do Vinho
História do Vinho
Repleto de simbologia, impregnado de religiosidade e de misticismo, o vinho surge desde muito cedo na nossa literatura, tornando-se fonte de lendas e inspiração de mitos.
Algumas expressões: dádiva de deuses Sangue de Cristo, e essência da própria vida
História do Vinho
O vinho não teve que esperar para ser inventado: ele estava lá, onde quer que uvas fossem colhidas e armazenadas em um recipiente que pudesse reter seu suco.
Há inúmeras lendas sobre onde teria começado a produção de vinhos e a primeira delas está no Velho Testamento. O capítulo 9 do Gênesis diz que Noé, após ter desembarcado os animais, plantou um vinhedo do qual fez vinho, bebeu e se embriagou.
História do Vinho
Vinho no Brasil Região Sul – Bento Gonçalves; Região Nordeste – Vale do Rio São Francisco
(Petrolina); Enólogos Sommelier Vinhos/Espumantes
História da Cerveja
História da Cerveja
Até chegar ao atual estágio, a cerveja percorreu um longo caminho. Muita gente ainda acredita que o líquido tenha se originado na região da atual Alemanha, de onde teria se espalhado para o restante da Europa durante a Idade Média.
História da Cerveja
Muita coisa mudou desde que os primeiros barris desembarcaram no Rio de Janeiro, nos porões dos navios que trouxeram a Família Real portuguesa para o exílio no Brasil, em 1808.
Sabe-se que o próprio príncipe regente Dom João, notório apreciador da cerveja, foi um dos principais responsáveis por sua difusão.
História do Pão
História do Pão
O pão foi certamente um dos primeiros alimentos já elaborados e relativamente transformados pelo homem, na transição da Pré-História para a História.
A panificação já pressupõe um estágio cultural mais complexo. Mais não ainda a panificação fermentada.
O mais provável é que as primeiras formas um pouco mais elaboradas do consumo de grãos tenham sido papas e mingaus obtidos a partir do cozimento na água
História do Pão
Quanto à panificação propriamente dita, aquela do pão fermentado e conseqüentemente mais macio, tudo indica que tenha acontecido por acaso, ou por engano.
Bastou que alguém tivesse esquecido uma quantidade de farinha úmida por um pouco mais de tempo antes de levá-la ao calor para que essa massa de alguma forma fermentasse espontaneamente, produzindo bolachas ou focacce bem mais macias e saborosas do que de costume.