IntroduIntroduççãoão – Aplicações – Processo – Microrganismos – Quantificação celular
Produção de Biomassa
• Produção de Biomassa
Cn(H2O)n + O2 + NH3 + P, S, K, Na, Mg, Ca, FeSubstrato Oxigênio Amônia Sais Minerais
(CHNO)n + CO2 + H2O + ∆HBiomassa Dióxido de Água Calor de reação
carbono
São convertidos por multiplicação celular em:
Produção de Biomassa
4-104-104-10Cinzas
2-105-1515-25Ac. Nucléicos
5-105-105-10Lipídios40-5530-456-15Glicídios
25-4035-4550-60Proteínas
FungosLevedurasBactérias
% em peso secoComposto
• Composição química de microrganismos
IntroduIntroduççãoão – Aplicações – Processo – Microrganismos – Quantificação celular
Produção de Biomassa
• Vantagens:Tempo de geração curto
Bactérias: 30 min a 2 hLeveduras: 1 a 3 hAlgas: 2 a 6 hFungos filamentosos: 4 a 12 h
Elevado teor de vitaminasAlto conteúdo protéicoVariedade de fonte de carbono utilizadaFacilidade em realizar alterações genéticasInstalaçõesIndepende de fatores climáticos
IntroduIntroduççãoão – Aplicações – Processo – Microrganismos – Quantificação celular
Introdução – AplicaAplicaççõesões – Processo – Microrganismos – Quantificação celular
Produção de Biomassa
• Proteína para alimentação humana ou animal;• Indústria de alimentos (ex. fermento);• Remédios;
Introdução – Aplicações – ProcessoProcesso – Microrganismos – Quantificação celular
Produção de Biomassa
• Etapas do processo
Hoechst/Uhde – SCP – processo em metanol
Introdução – Aplicações – ProcessoProcesso – Microrganismos – Quantificação celular
Produção de Biomassa
• Etapas do processo:Cultivo do microrganismo
EsterilizaçãoAeraçãoEquipamentoForma de Condução
Recuperação da BiomassaCentrifugação (Leveduras e Bactérias)Filtros rotatórios (Fungos Filamentosos)SecagemQuebra da parede celular (para SCP)
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Produção de Biomassa
• Características básicas:
Não ser patogênico
Valor nutritivo (para SCP)
Não formar compostos tóxicos
Baixo custo de produçãoVelocidade de crescimentoConteúdo protéicoSuplementação de nutrientesMeio de culturaSeparação e secagem
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Produção de Biomassa
• Bactérias:
Alta velocidade de crescimento
Extensa variedade de fontes de carbono
Conteúdo protéico alto
Perfil de aminoácidos bom; ricas em cistina e metionina
Recuperação da biomassa
Conteúdo de ácidos nucléicos elevado
Possibilidade de produção de endotoxinas (Gram -)
Gêneros: Bacillus, Hydrogenomas, Methanomonas, Methylomonas, Pseudomonas
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Produção de Biomassa
• Bactérias:
Substratos: hidrocarbonetos, Metanol
Processos
Chia Yee Solvent Works (Taiwan, 1963)
Pseudomonas; Substrato: Hidrocarbonetos parafínicos; T = 36-38ºC; pH = 7,0; Em contínuo: células com 73,6% de proteína; Separação em centrifuga, secagem em tambor; remoção de óleo com solvente; moagem em moinho
Esso Research and Engineering Co. (1968)
Pseudomonas; Substrato: Hidrocarbonetos purificados (retirada dos aromáticos); T = 25-40ºC; Separação por centrifugação, decantadores ou filtros; secagem em spray-drying;
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Produção de Biomassa
• Fungos Filamentosos:
Alta conteúdo protéico
Perfil de aminoácidos bom; baixo aas sulfidrilados
Os cogumelos constituem um dos mais antigos alimentos humanos
Gêneros Fusarium e Rhizopusem cultivos submersos foram usados como alimento humano durante a 2ª guerra mundial
Mycoprotein: aprovado pelo governo inglês para consumo humano
Alto conteúdo de ácidos nucléicos
Alguns produzem compostos tóxicos
Crescimento mais lento que leveduras e bactérias
Matéria-prima amilácea(mais cara)
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Produção de Biomassa
• Algas:
Algas têm sido usadas como alimento humano desde tempos imemoriais
Baixo custo de produção
Alto conteúdo protéico
Alta digestibilidade
Teor balanceado de aminoácidos
Alto teor de vitaminas (tiamina, riboflavina, cobalamina) e carotenóides
Gêneros: Chlorella, Scenedesmus e Spirulina
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Produção de Biomassa
• Algas:
Meio de cultivo (quimioautotrófico ou fotoautotrófico)
Água do mar
Lagos salinos
Águas oriundas de sistemas de tratamento de efluentes
Meio de cultivo sintético (NaHCO3; K2HPO4; NaNO3; NaCl; MgSO4.7H2O; FeSO4.7H2O; K2SO4; CaCl2.2H2O; solução de micronutrientes)
Não precisa esterilizar e sem controle de temperatura
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Produção de Biomassa
• Algas:
Processo de produção
Batelada simples em lagos abertos
Quantidade de iluminação – profundidade 20 a 30 cm
Typical Commercial Microalgae Production Facility, Kona, Hawaii.
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Produção de Biomassa
• Algas:
Recuperação
Centrifugação/Coagulação (baixa densidade celular)
Filtração rotativa
Secagem (Baixa pressão, “spray drying”, ao sol, secagem em camadas de areia)
Produção de Biomassa
• Algas:
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Produção de Biomassa
• Leveduras
Alta velocidade de crescimento
pH 3.5 a 5.0: evita contaminação
Facilidade de recuperação por centrifugação
Perfil de aminoácidos bom
Alto conteúdo vitamínico e complexo B
Rendimentos elevados
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Produção de Biomassa
• Leveduras
Melaço é a principal matéria-prima para a produção de leveduras tais como S. cerevisiae e C. utilis
É um subproduto da produção do açúcar de cana e beterraba
O melaço apresenta K, Mg, P, Zn, Fe, Cu, além de vitaminas (biotina, ác. pantotenico, inositol, tiamina) e aminoácidos (asparagina, ác. aspártico, alanina, ácido glutâmico e glicina)
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Produção de Biomassa
• Leveduras de panificação
São empregadas linhagens selecionadas de S. cerevisiae em função:
Características fisiológicas estáveis
Fermentação vigorosa do açúcar na massa
Crescimento rápido
Manutenção de boa qualidade sem
autólise
Alto rendimento no fermentador
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Produção de Biomassa
• Leveduras de panificação
Processo em múltiplos estágio
Aeróbio
Batelada alimentada
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Produção de Biomassa
• Leveduras de panificação
Preparo do mosto:
Melaço é diluído ([açúcar]i = 0,5 a 1,5 %p/v)
Acidulado (pH 4,5 a 5,0)
Aquecido
Clarificado por filtração ou sedimentação
Esterilizado (vapor sob pressão)
Fortificado (sais de amônio, uréia sais de fósforo ou ác. fosfórico, vitaminas) e retirada de SO3 (aeração em temperatura alta)
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Produção de Biomassa
• Leveduras de panificação
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Produção de Biomassa
• Leveduras de panificação
Levedura prensadaAdição de emulsificantes (óleos vegetais) para dar
consistência desejada e adição de álcoois (etílico, propílico, isopropílico) ou amido de cereal para proteção contra contaminações
68-72% de umidade; 27-30% sólidos; 50-56% proteína, 8-9% N, 1-1,4% P
Refrigeração (0-4ºC)
Levedura seca ativa8% de umidadeCélulas são secas em condições controladas de T e
umidade de modo que as enzimas não sejam deterioradas
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Produção de Biomassa
• Levedura alimentar
S. cerevisiae e C. utilis são propagadas em diferentes substratos e comercializadas como fonte de proteínas e vitaminas do complexo B para suplementação humana ou rações animais
As leveduras resultantes dos processos exclusivamente destinados a sua propagação são denominados leveduras 1as, enquanto que as obtidas como subprodutos de outra indústria são denominadas leveduras 2as (recuperadas de cervejarias e destilarias)
Componentes da levedura forrageiraProteína > 45%Gordura – 2%Fibras – 2%Cinzas – 7-8%
Ca – 0,1 -0,5%P – 1,5%Tiamina – 6 a 100 mg/kgRiboflavina – 10 a 50 mg/kg
Produção de Biomassa
• Levedura Alimentar
Obtenção de levedura secundária
Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular
Produção de Biomassa
• Levedura Alimentar
Obtenção de leveduras secas em uma destilaria
Produção de BiomassaIntrodução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular
• Levedura Alimentar
Produção de BiomassaIntrodução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular
• Levedura Alimentar
Métodos Diretos• Determinação do número de
célulasContagem ao microscópio;Contagem de colônias formadas;Número mais provávelContagem eletrônica (Contador
Coulter, Citometria de fluxo)
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
• Determinação da biomassamicrobiana
Peso Seco;Turbidimetria;Volume de Centrifugado;Viscosidade
Métodos Indiretos• Constituintes celulares
Concentração total de N ou C;ATP;DNA, RNA;Conteúdo protéico;
• Dosagem de elementos do meio de cultura
Substrato;Consumo de O2;Produção de CO2;
Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
Métodos Diretos • Determinação do número de célulasContagem ao microscópio;
Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
Métodos Diretos
Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
• Determinação do número de célulasContagem ao microscópio;
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
Métodos Diretos
Contagens de colônias formadas;
• Determinação do número de células
Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
Métodos Diretos
Contagens de colônias
formadas;
• Determinação do número de células
Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
Métodos Diretos
Número mais provável (NMP);
• Determinação do número de células
Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
Métodos DiretosContagem eletrônica.
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
Contador Automático de Células - Coulter
• Determinação do número de células
Citômetro de Fluxo
Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
Métodos DiretosContagem eletrônica – Citometria de Fluxo.
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
• Determinação do número de células
Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
Métodos DiretosContagem eletrônica – Processamento Digital de imagens (PDI).
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
• Determinação do número de células
Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
Métodos Diretos • Determinação da biomassa microbiana
Matéria seca; Turbidimetria ou espectrofotometria.
Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
Métodos Diretos
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
• Determinação da biomassa microbiana
Volume de Centrifugado; Viscosidade
Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
Métodos Indiretos • Constituintes celulares
Concentração total de N ou C;ATP;DNA;Conteúdo protéico;
ProduProduçção de Biomassaão de BiomassaIntrodução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
0,01-0,10,01-0,10,01-0,1Na, Fe0,1-0,50,1-0,50,1-0,5K, Ca
0,4-4,50,8-2,62-3P0,1-0,50,01-0,030,2-1S
0,1-0,30,1-0,50,1-0,5Mg
traçostraçostraçosOutros
4-76-8,510-14N202020O101010H
45-5546-5246-52C
FungosLevedurasBactérias
% em peso secoComposto
Composição elementar
Métodos Indiretos• Constituintes celulares
Concentração total de N ou C;ATP;DNA, RNA;Conteúdo protéico;
ProduProduçção de Biomassaão de BiomassaIntrodução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
Métodos Indiretos • Dosagem de elementos do meio de cultura
Substrato;
Introdução - QuantificaQuantificaçção celularão celular –
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
- Cn(H2O)n - YsoO2 - YsnNH3 – Yss1S1 + YsxX + YscCO2 + Ysp1
P1 + YswH2O = 0
X = CHaObNcSdPe; S. cerevisiae: CH1.6O0,40N0,22P0,02
Consumo de O2;Produção de CO2;
- Cn(H2O)n - YsoO2 - YsnNH3 – Yss1S1 + YsxX + YscCO2 + Ysp1
P1 + YswH2O = 0
Métodos Indiretos • Dosagem de elementos do meio de cultura
Consumo de O2;Produção de CO2;
Introdução - QuantificaQuantificaçção celularão celular –
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
• Fase lagRearranjo do sistema enzimático (síntese
de enzimas);
XocteX ==
• Fase intermediáriaAumento gradativo da concentração celular
Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
• Fase log ou exponencialCélulas plenamente adaptadas;
Velocidades de crescimento elevadas;
Consumo de substrato;
• Fase de redução de velocidadeDiminuição da concentração de substrato limitante;
Acúmulo de produto(s) no meio
Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa
• Fase estacionáriaTérmino do substrato limitante;
Acúmulo de produtos tóxicos;
Concentração celular constante em seu
valor máximo.
• Fase de declínioRedução do crescimento celular;
Consumo de material intracelular (lise).
Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
ProduProduçção de Biomassaão de BiomassaIntrodução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular
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