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ESQUEMA GERAL DE UM PROCESSO FERMENTATIVO

microrganismo

Inóculo Laboratório

Inóculo Industrial

Ar

CompressorEsterilização

do Ar

Biorreator

Industrial

Matérias-primas

Esterilização

Meio de cultura

Células

Caldo fermentado

Recuperação Produto

Separaçãodas células

Produto Tratamento efluentes

ORGANISMOS CELULARESORGANISMOS CELULARES

EUCARIÓTICOSEUCARIÓTICOS PROCARIÓTICOSPROCARIÓTICOSMonera Monera ou ou bacteriasbacterias

MULTICELULARMULTICELULAR UNICELULARUNICELULARProtista Protista ou protozoaou protozoae algas unicelularese algas unicelulares

FOTOSSINTÉTICOSFOTOSSINTÉTICOSPlantaePlantae ou plantasou plantas

ABSORTIVOSABSORTIVOSFungiFungi ou fungosou fungos

INGESTIVOSINGESTIVOSAnimaliaAnimalia ou animaisou animais

CLASSIFICAÇÃO DOS ORGANISMOS CELULARESCLASSIFICAÇÃO DOS ORGANISMOS CELULARES

FOTOSSINTÉTICOScaptam a luz para converter CO2 e H20 em O2e açúcares

6H2O + 6CO2 → 6O2 +C6H12O6

ABSORTIVOSABSORTIVOS: captam nutrientes quABSORTIVOS: captam nutrientes quíímicos dissolvidos em solumicos dissolvidos em soluçção aquosa ão aquosa

(fungos e leveduras)(fungos e leveduras)

INGESTIVOSINGESTIVOS: captam partículas não dissolvidas (animais)

Crescimento MicrobianoAumento em tamanho da populaçãoAumento no número de célulasAumento da massa celular

DuplicaçãoFissão bináriaTempo de geraçãoCurva do crescimento microbiano

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Crescimento MicrobianoFonte de carbonoEnergiaAceptor de elétronsDoador de elétronsH2O

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Crescimento MicrobianoNutrientes orgânicos: aminoácidos, vitaminas, purinas e pirimidinasNutrientes inorgânicos: macro e microCondições ambientais: pH, temperatura, potencial hídrico, condutividade, pressão, potencial redox, superfície para crescimento

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Grupos nutricionaisFotoautotróficos: luz é energia para sintetizar ATP, e CO2 é fonte de C para sintetizar compostos orgânicos (bactérias fotossintéticas, cianobactérias, algas, etc.)Fotoheterotróficos: luz é energia para sintetizar ATP, mas o C éobtido em formas orgânicas mais complexas

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Grupos nutricionaisQuimioautotróficos: energia obtida pela oxidação de compostos inorgânicos como H2S, NH3, e Fe2

+, e CO2 como fonte de C (bactérias que oxidam S, bactérias nitrificadoras, bactérias que oxidam H2, bactérias que oxidam Fe)Quimioheterotróficos: energia e C obtidos de moléculas orgânicas complexas

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Fatores que afetam o crescimentoFatores químicos:

pH:neutrófilos – pH ≈ 7.0acidófilos – pH < 7.0alcalófilos – pH > 7.0

Importância:• Atividade enzimática• Conformação protéica• Disponibilidade de metais e elementos orgânicos

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Fatores que afetam o crescimentoFatores químicos:

O2:Aeróbicos obrigatóriosAnaeróbicos obrigatóriosAnaeróbicos facultativosMicroaerófilosAerotolerantes

Importância:• Respiração• Reações de óxido-redução• Atividade enzimática

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aeróbios anaeróbios anaeróbios microaerófilos anaeróbiosobrigatórios obrigatórios facultativos aerotolerantes

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Fatores que afetam o crescimentoFatores químicos:

Capacidade de troca de íons:Importância:• Disponibilidade de nutrientes• Ligações substrato-microrganismo• Defesa• Atração de íons

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Fatores que afetam o crescimentoFatores físicos:

Temperatura:Psicrófilos: - 5 C a 20 CMesófilos: 20 C a 50 CTermófilos: 50 C a 80 CTermófilos extremos: acima de 80 C

Importância:• Respostas enzimáticas• Respostas a choques térmicos• Razão de crescimento

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Fontes de Microrganismos• Os microrganismos de Interesse Industrial

pode ser obtidos:• Isolamento de recursos naturais: (solo, água,

plantas, etc);• Compra em coleções de cultura: (Agricultural

Research Service Culture Collection (EUA), Coleção de Cultura Tropical (Campinas);

• Obtenção de mutantes naturais;• Obtenção de mutantes induzidas por métodos

convencionais;• Obtenção de microrganismos recombinantes. 17

Características Desejáveis do Microganismo

• Os microrganismos de Interesse Industrial devem:• Apresentar elevada eficiência na conversão do substrato em

produto;• Permitir o acúmulo do produto no meio, de forma a ser elevada

concentração do produto no caldo fermentado;• Não produzir substâncias imcompatíveis com o produto;• Apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico;• Não ser patogênico;• Não exigir condições de processo muito complexas;• Não exigir meios de cultura dispendiosos;• Permitir rápida liberação do produto para o meio.

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Características Desejáveis do Microganismo

• Exemplo da Fermentação Alcoólica:

• C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2Fator estequiométrico teórico=0,511Cada grama de glicose é convertida em 0,511g de etanolSaccharomyces cerevisiae, alcança 90% deste rendimento,

enquanto outros microrganimos produzem etanol, mas com rendimentos muito inferiores;

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Características Desejáveis do Microganismo

• Exemplo da Fermentação Alcoólica:

• C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2Por outro lado, sabe-se que quando se atinge 8 à 10% em

volume de álcool no meio, ocorre inibição da levedura e diminui a velocidade de conversão de açúcar em álcool.

Portanto no caso de obtenção de álcool combustível, deve-se trabalhar com valores que não ultrapassem esta concentração alcoólica.

Neste caso, a matéria prima incide em 60% do valor do custo do etanol.

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Características Desejáveis do Microganismo

• Exemplo da produção de enzimas ou antibióticos:

• Açúcar + O2 Células + CO2 + Produtos + IntermediáriosOxigênio, faz com que aumente consideravelmente a produção

de células, enquanto pequena quantidade do produto é obtida.A matéria-prima é barata, mas a recuperação do produto é

onerosa, chegando a 70% do valor do custo, porém o produtotem maior valor agregado.

Portanto, buscar microrganismo, que cresçam menos, ou que acumulem menos intermediários, podem diminuir o custo do processo.

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Características Desejáveis do Microganismo

• Exemplo da produção de glicoamilase por Aspergillus:

• Glicoamilase, enzima que hidrolisa amidos em glicose;

• Transglicosidase, enzima que polimeriza a glicose formando amido;

• Um microrganismo ideal, seria aquele que produz o mínimo de substâncias competitivas, ao mesmo tempo sintetize muito bem o produto pretendido.

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Características Desejáveis do Meio de Cultivo

• Ser o mais barato possível;• Atender as necessidades nutricionais do microrganismo;• Auxiliar no controle do processo, como é o caso de ser

ligeiramente tamponado, o que evita variações drásticas de pH, ou evitar excessiva formação de espuma;

• Não provocar problemas na recuperação do produto;• Os componentes devem permitir algum tempo de

armazenamento, a fim de estarem disponíveis para o uso a qualquer tempo;

• Ter composição razoavelmente fixa;• Não causar dificuldades no tratamento final do efluente. 23

Meio de Cultivo

• Os microrganismos utilizam:• Fonte de carbono e energia, diversos açúcares, como glicose,

sacarose, frutose, polissacarideos como amido e celulose;• Fonte de nitrogênio: sais como (NH4+)2SO4, (NH4)2HPO4,

aminoácidos e uréia;• Fonte de fósforo: Monoamônio fosfato ou Diamônio fosfato;• Outros elementos: Na, K, Ca, Fe, Cu, Mg, Mn, Co, etc. em

concentrações bem reduzidas, porém necessárias.• Meios constituídos apenas por estas substâncias são

denominados de meios sintéticos.24

SUBSTRATOSMonossacarídeos (glicose, frutose, galactose, manose, ribose, xilose, arabinose)Dissacarídeos:Sacarose (glicose + frutose)Lactose (galactose + glicose)Maltose (glicose + glicose)Trissacarídeos:Rafinose (glicose + frutose + galactose)Maltotriose (glicose + glicose + glicose)Polímeros de alto peso molecular:Amido (amilose + amilopectina)Amilose: cadeia linear de glicose ligações alfa 1‐4Amilopectina: cadeia ramificada com ligações alfa 1‐4 e alfa 1‐6Celulose: polímero de glicose em ligações beta 1‐4Glicogênio: polímero de glicose com ligações alfa 1‐4 e alfa 1‐6Pectina: polímero de ácidos galacturônico, raminose, arabinose e galactose

Perfil de Utilização de Fontes de Carbono

Meio de Cultivo

• Meios de cultivo preparados com fatores de crescimento:• aminoácidos;• Vitaminas (biotina, tiamina, riboflavina, etc.);• Extratos de leveduras, extratos de malte, extratos de carne,

peptona, hidrolisados de proteínas;

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Meio de Cultivo

• Meios mais complexos e menos onerosos, por esta razão empregados na maioria dos processos fermentativos em grande escala:

• Caldo de cana-de-açúcar;• Melaço,• Cereais (trigo, milho, cevada, soja);• Frutas (uvas, jaboticabas, laranjas, bananas)• Estas matérias-primas são de composição química

desconhecidas, mas os teores de açúcares, nitrogênio e fosforo, devem ser determinados para avaliar sua complementação ou não.

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Considerações Finais

• A definição adequada do microrganismo a ser empregado, assim como do meio de cultura para este microganismo, é etapa fundamental para o sucesso deum processo fermentativo;

• No entanto, é sempre importante lembrar que a definição de um processo fermentativo mais adequado, assim como as preocupações com a recuperação do produto, são etapas da mais alta importância;

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Considerações Finais

• Em alguns casos o emprego de microrganismos disponíveis em coleções de cultura pode levar ao desenvolvimento de processos produtivos que sejam atraentes;

• É necessário lembrar, no entanto, que presentemente se dispõem de muitos recursos para o aprimoramento de linhagens produtivas, o que torna os processos fermentativos cada vez mais promissores;

30

Considerações Finais• Essas considerações trazem também um importante

alerta sobre a constante necessidade de desenvolvimento do processo produtivo já instalado, justamente por essa grande variedade de desenvolvimentos possíveis;

• Presentemente e bastante dificial imaginar que uma dada empresa disponha do microrganimso “ótimo” oudo meio de cultura “otimizado”;

• É da mais alta importância que essa empresa continuea busca por melhores condições, em termos de microrganismos e de meio, caso contrário, poderá ser ultrapassada pela concorrente. 31

Biografia• Biotecnologia Industrial. Engenharia Bioquímica.

SCHMIDELL, W. LIMA, U.A., AQUARONE, E., BORZANI, W. Editora Edgard Blucher, São Paulo, 2007.

Prof. Dr. João Batista de Almeida e Silvajoaobatista@debiq.eel.usp.br

joaobatista@pq.cnpq.br

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