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Processo Fermentativo Genérico:Aula 2

Conceitos;Matérias Primas;Preparo do Mosto;

Referências: Livro: Biotecnologia Industrial Walter Borzani. Vol 2 – Cap 2

PROCESSOS BIOQUÍMICOS

� Processos Fermentativos:� Produção de Etanol, BioDiesel e Bebidas;

� Tratamento de Resíduos:� Biorremediação e Tratamento de Efluentes;

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PROCESSOS BIOQUÍMICOS

BIOTECNOLOGIA: Conjunto de conhecimentostécnicos e métodos, de base científica e prática,que permite a utilização de seres vivos comoparte integrante e ativa do processo industrial.

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TIPOS DE PROCESSOS BIOQUÍMICOS

PROCESSOS DE BIOTRANSFORMAÇÃO

� Processos Desassimilitavos (Catabólico):

� Degradação do substrato (molécula complexa) produzindo moléculas mais simples;

� O processo gera energia:

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� Processos Assimilativos (Anabólicos):

� A partir de substratos simples são sintetizados produtos mais complexos, com gasto de energia.

� Ex: Obtenção de antibióticos, enzimas, proteínas e hormônios;

PROCESSOS DE BIOTRANSFORMAÇÃO

Processos de Biotransformação

Exemplos

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Produtos Biotecnológicos

Volume x Valor

Importância dos processos fermentativos na indústria

de alimentos:

Produtos Microrganismos

Queijo Bactérias e fungos

Iogurtes Bactérias láticas

Manteiga Bactérias láticas

Bebidas Leveduras e fungos

Produtos de Panificação Leveduras

Picles, azeitonas e chucrutes Bactérias lácteas

Carnes fermentadas Bactérias láticas

Vinagre Bactérias acéticas

Aromas Fungos

Proteínas unicelulares Fungos, leveduras e bactérias

Soja fermentada Fungos, leveduras e bactérias

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VINAGRE� “Vinho azedo”

� Etapa de fermentação alcoólica seguida da fermentação acética (fermentação bacteriana).

� As bactérias acéticas diferem da maioria das outras bactérias pelo fato de não oxidarem completamente suas fontes de energia até CO2 + H2O, sendo produzidas pequenas quantidades de outros aldeídos, cetonas

Importância dos processos fermentativos na indústriaquímica, farmacêutica e na agricultura:

- Etanol: químico, doméstico, carburante;

- Ácidos orgânicos: cítrico, lático, acético, etc.;

- Solvente: acetona, butanol, etc.;

- Enzimas: amilases, proteases, lipases, pectinases,

lactase, entre outras;

- Vitaminas: ergosterol, ácido ascórbico, etc.;

- Antibióticos: penicilina;

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OUTRAS APLICAÇÕES INDUSTRIAISOUTRAS APLICAÇÕES INDUSTRIAIS

INDÚSTRIA DE PAPEL E CELULOSE

� Reciclagem de papel:

� Destingimento:

� Processo Químico para remoção da tinta: Solução altamente alcalina –escurecimento da celulose;

� Tratamento enzimático:� Utilização de Celulases

� Não agem sobre a tinta, agem sobre a celulose que retêm as partículas de tinta do papel

INDÚSTRIA DO COURO

•Couros crus e pele contêm proteínas e gorduras entre as fibras

• O processo usado até agora envolvia sulfureto de sódio, um químico com um cheiro tão intenso que é impossível passar por uma fábrica de curtumes sem dar por ela.

• Em alternativa, foi sugerido à indústria que passe a usar enzimas –o mau cheiro desaparece e a carga poluente dos efluentes é eliminada.

•Usa-se a amilase bacteriana (Bacillus subtilis e Bacillus lichenformis)estável ao calor para eliminar a goma dos produtos têxteis, substituindo os ácidos e álcalis na hidrólise do amido.

INDÚSTRIA TÊXTIL

OUTRAS APLICAÇÕES INDUSTRIAISOUTRAS APLICAÇÕES INDUSTRIAIS

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OUTRAS APLICAÇÕES INDUSTRIAISOUTRAS APLICAÇÕES INDUSTRIAIS

Produtos de limpeza� Ex. Detergentes

� 40% da produção mundial de enzimas é utilizada pela indústria da limpeza;

� Alta atividade sobre a matéria orgânica:� PROTEASES

� Eliminam manchas de ovo, sangre, suor, extratos vegetais;� Desenvolvimento de enzimas atuantes em T elevada e PH

alcalino;

� LIPASE� Degrada lipídeos (óleos e gorduras)� Estáveis em pH alcalino;

� AMILASE� Remoção de resíduos de alimento que contém amido

Exemplo de enzimas digestivas e suas funções:

Enzimas que hidrolisam: ASE� Amilases: encontrada na saliva e pâncreas: digerem o amido.

� Pepsina: encontrada no estômago: age sobre as proteínas; Necessidade de um ambiente ácido.

� Lipases: produzida no pâncreas e intestino: quebram gorduras;

� Lactase: produzida no intestino: quebra a lactose em glicose

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PROCESSOS BIOQUÍMICOSETAPAS FUNDAMENTAIS

FASES DE UM PROCESSO BIOQUÍMICO

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CONCEITOS 1.Fermentação:

� Consiste na conversão/transformação de uma substância em outra, através do metabolismo microbiano, ou seja através de uma sequência de reações catalisadas por enzimas, quando submetido a condições ambientais propícias.

2. Enzimas

� Catalisador biológico de natureza proteica, elaborado por seres vivos, de altíssima especificidade e estável e em faixas restritas de T e pH.� A instabilidade das enzimas faz com que seja

necessário um rigoroso controle do pH, T, força iônica, salinidade no meio.

� Como o catalisador (enzima) é produzido “in loco” pelo microorganismo (ser vivo) é o que difere a Engenharia Bioquímica da Engenharia Química;

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� Extraordinária especificidade e poder catalítico, que são muito superiores aos dos catalisadores produzidos pelo homem;

� Praticamente todas as reações que caracterizam o metabolismo celular são catalisadas por enzimas;

� As enzimas operam em condições brandas- faixas estreitas de:

� pH

� Temperatura

� Força iônica

� Pressão Osmótica

� Especificidade: Enzima específica para uma dado substrato;

� Sítio Ativo: Parte da enzima que se liga ao substrato;

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3.Nutrientes

� Substâncias necessárias ao crescimento e reprodução dos microorganismos:

– Fontes de C, N, S, etc

– A absorção desses compostos se dá por diferença de concentração.

4. Excreta� Produto final, ou intermediário, que se acumula no interior da célula e depois é excretado para o meio;

� Normalmente, os produtos que conseguem atravessar a membrana são os produtos de catabolismo. São chamados extracelulares:Ex: butanol, etanol, ácido lático

� Os produtos no anabolismo são em geral, macromoléculas que permanecem no interior da célula, sendo chamados de intracelulares:

� Ex: pigmentos carotenóides, enzima invertase

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5. Substrato � É a fonte de carbono.

� EX: Glicose, sacarose, amido.� Glicose: 6C’s

� Sacarose: 12 C’s

� Amido: nC’s

� Celulose:

Polímero de

Glicose

6. Nutrição Holofítica� Nutriente só é absorvido se for previamente dissolvido em

água (processo em meio aquoso)

� Nutrição característica dos microorganimos de interesse industrial.

7. Microorganimos� É o agente de fermentação, normalmente uma cultura pura.

� É adaptado às condições do processo desde o laboratório até a fase industrial.

Fontes de agentes microbianos empregados e processos Industriais

-Isolamento a partir de recursos naturais

-Compra em coleções de culturas

-Obtenção de mutantes naturais

-Obtenção de microorganismos recombinantes por técnicas de engenharia genética

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8. Preparo do Inóculo� É a suspensão de microorganismo suficientemente concentrada para garantir a fermentação de uma dado volume de meio de cultura;

� Os microorganimos de interesse comercial devem ser obtidos puros e conservados em cultivo artificial;� Cultivo puro: Todas as células são da mesma espécie (ocorre

na maioria dos processos industriais)

� EX: Produção de antibióticos por cepas de actinomicetos.

� Cultivo misto: Várias espécies de microorganimos que atuam em conjunto:

� EX: Tratamento de resíduos e maceração de fibras.

� Etapas do preparo do Inóculo� FASE DE LABORATÓRIO e FASE INDUSTRIAL

8. Preparo do Inóculo Fase Laboratório

� A cultura estocada é replicada em volumes sucessivamente maiores (geralmente 10X), sendo incubada a temperatura adequada .

� Geralmente é utilizado o mesmo meio de cultura)

- Tempo: tem que respeitar

a curva de crescimento

(normalmente até o final da

fase exponencial, quando

a atividade metabólica é

máxima)

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Etapas do Processo – Inóculo

Ativação/Propagação

8. Preparo do Inóculo Fase Industrial

� Prossegue-se efetuando-se semeaduras em volumes crescentes;

� São utilizados propagadores (pequenos fermentadores)

� A propagação é realizada até que o volume do inóculo esteja entre 2 a 5% do volume de fermentação.

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9. Recuperação do Inóculo

� Importante para diminuição do custo operacional;

� Após a fermentação, o inóculo é recuperado, ativado e reutilizado � com isso evita-se o consumo de nutrientes e a propagação;

� Importante manter um controle da pureza microbiana e da vitalidade da cultura a fim de evitar perdas de rendimento� Ex: Cervejarias: utiliza-se o mesmo inóculo em 5 vezes.

� EX: Produção de álcool etílico: pode-se reutilizar a levedura por toda a safra.

10. Requisitos para a escolha dos Microorganimos

� Viabilidade: o agente de fermentação deve ser viável (apresentar grande número de células vivas) e ser de fácil manutenção a temperaturas baixas ou a baixos valores de umidade.

� Estabilidade: não apresentar variação ou mutação.� Após várias reproduções continuar com a mesma capacidade.

� Potência: Produzir o metabólito desejado com alto rendimento.� A concentração máxima do produto é obtida quando o

microorganismo apresenta alta tolerância ao excreta.

� Inocuidade: Não deve ser patogênico.

� Não exigir condições de processo muito complexas;

� Não exigir meios de cultura dispendiosos.

� Permitir a rápida liberação do produto no meio

� Permitir o acúmulo do produto no meio de forma a se ter elevada concentração de produto no mosto fermentado

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11. Meios de Cultura (MOSTO)� Preparado utilizando-se a matéria prima e os nutrientes por

ventura necessários;

� Pode ser necessário a realização de pre-tratamento da matéria prima;

� O meio de cultivo pode ser esterelizado ou não, de acordo com as exigências do processo.

CARACTERÍSTICAS DESEJADAS DO MEIO DE FERMENTAÇÃO

� Ser o mais barato possível (disponibilidade de matéria prima)

� Atender as exigências nutricionais do microorganimos

� Estabilidade dos componentes durante a armazenagem

� Ter composição razoavelmente fixa

� Não causar dificuldades na recuperação do produto ou no tratamento final do(s) resíduos(s).

12. Fermentação

� Processo tem início após a inoculação do mosto;

� O processo fermentativo deve ser controlado a fim de garantir a manutenção das condições operacionais, durante todo o período.� Controle de pH, Temperatura, Oxigênio dissolvido e a formação de espuma.

� A cinética do processo deve ser acompanhada através do crescimento celular, consumo d substrato e da formação de produto ao longo do tempo.

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13. Recuperação do Produto da Fermentação

� De fundamental importância

� Pode representar até 70% do custo fixo total do processo;

� Como a nutrição dos microorganimos é holofílica, as concentrações de produto obtidas no mosto fermentado, são baixas devido à necessidade de diluição e a inibição dos microorganismos pelos próprios produtos formados na fermentação que são, muitas vezes, tóxicos.

� Baixas concentrações não significam baixos rendimentos.