introdução a processos fermentativos
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Introdução a
Processos
Fermentativos
Prof Bernardo Dias
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
EQB353 - MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL E ENZIMOLOGIA
Conceitos
Processos
Químicos
Catalisadores
Químicos
Processos
Enzimáticos
Biocatalisadores
(Enzimas)
Processos
MicrobianosBiocatalisadores
(Micro-organismos)
Fermentação?
Metabolismo: Processos Catabólicos Anaeróbicos
de Compostos Orgânicos
Indústria: Processos Microbianos de Larga Escala
Etapas de um Bioprocesso
Meio e Mosto
Cultura Microbiana
Características Desejáveis
-↑ Eficiência na Conversão de S P
- Permitir acúmulo de P e rápida liberação para o meio ↑ [P]
- Não produzir substâncias incompatíveis com P
- Constância quanto ao Comportamento Fisiológico
Conservação Genética
- Não ser patogênico Risco ambiental e custo adicional
- Não exigir condições de processo muito complexas
- Não exigir meios de cultura dispendiosos
Inóculo
Fases de Crescimento
Fases de Crescimento
Meio de Cultivo
- Fontes de Carbono: CO2, compostos orgânicos macromoléculas
- Fontes de Nitrogênio: NH4+, NO3
-, N2, uréia, compostos orgânicos
nitrogenados proteínas, ácidos nucleicos
- Fontes de Fósforo: PO43- ácidos nucleicos, fosfolipideos
- Fontes de Enxofre: SO42-, H2S, compostos orgânicos sulfurados, sulfetos
metálicos aminoácidos, coenzima A e vitaminas
Composição Geral
- Sais minerais: Mg, Ca, Na, K
- Elementos-traço: Fe, B, Cr, Mn, Co, Cu, Mo, Ni,
Se, W, V, Zn
- Vitaminas (Complexo B)
Componentes
enzimáticos
e/ou de vias
metabólicas
Mosto
- Custo do Substrato
- Suprimento e Disponibilidade do Substrato
- Variabilidade na Composição da Matéria-prima
- Condições de Armazenamento
- Dificuldades de Esterilização do Mosto
- Fermentescibilidade
Fatores Importantes
Matérias-primas
Tipos
- Sacaríneas: sacarose, glicose, frutose, lactose
- Amiláceas: maltose, glicose
- Lignocelulósicas: glicose, xilose
- Outras: Glicerol, Vinhaça, Licor Sulfídrico,
Óleos, gorduras e ácidos graxos
Glicerol
Matérias-primas
SacaríneasSacarose
- Caldo de cana-de-açúcar: 10-20%
Sacarose; 0,1-2,0% Glicose + Frutose
- Melaço: 32-34% Sacarose; 14-16%
Glicose; 16-18% Frutose
- Suco de frutas: 12-25% Glicose +
Frutose
- Leite e Soro de leite: 5% Lactose
Matérias-primas
Sacaríneas
“Beet root”
(Beta vulgaris var. esculenta)
≠
“Sugar beet”
(Beta vulgaris var. vulgaris)
15 – 20% Sacarose 3 – 5% Sacarose
Matérias-primas
Amiláceas
- Grãos/Cereais: Trigo, Milho, Cevada, Sorgo, Arroz
- Raízes/Tubérculos: Mandioca, Batata, Batata Doce
Zea mays
Manihot esculenta
Triticum aestivum
Sorghum bicolor
Ipomoea batatas
Matérias-primas
Amiláceas
Regiões
cristalinas
Regiões
amorfas
Biomassa % amido
Milho 62-65
Trigo 60-69
Sorgo 62-65
Cevada 55-65
Arroz 57-88
Batata 65-85
Mandioca 85-87
Centeio 56-58
Matérias-primas
Amiláceas
Milho
Levedura
Gluco-
amilaseAlfa-
amilase
1: tanque de lavagem;
2: moinho;
3: reator de cozimento/liquefação;
4: reator de sacarificação e
fermentação;
5: coluna para absorção de etanol;
6: coluna de concentração;
7: coluna de retificação;
8: peneiras moleculares;
9: primeiro trem do evaporador;
10: centrífuga;
11: segundo trem do evaporador;
12: secador.
Etanol
DDGS
B. stearothermophilus
A. niger
Matérias-primas
Celulósicas
- Resíduos Agroindustriais: Bagaço de cana, palha de arroz, sabugo de
milho, cascas de frutas
- Subprodutos da indústria madeireira: Serragem
Casca de Arroz Bagaço de canaSerragem
Sabugo de milho
Matérias-primas
Celulósicas: Pré-Tratamento
- Remoção da lignina
- Solubilização da Hemicelulose
- ↓ Cristalinidade da Celulose
- Alcalino:NH3, NaOH, H2O2
+ NaOH
- Ácido: Diluído ou
Concentrado, H2SO4, HCl
- Físico: Explosão a Vapor
Enzimático: Celulase
Celulose
(%)
Hemicelulose
(%)
Lignina
(%)
Bagaço
de cana36 28 20
Palha de
milho36 28 29
Papelão 47 25 12
Palha de
arroz33 26 7
Matérias-primas
Celulósicas: Pré-Tratamento
- Líquidos Iônicos
Acetato de 1-etil-3-metilimidazol:
[C2mim][Ac]
Cloreto de 1-butil-3-metilimidazol:
[C4mim][Cl]
Glicose
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Glicose
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Endoglucanases
Celobiohidrolase I
Celobiohidrolase II
ß-glicosidases
AÇÃO SINÉRGICA
CASTRO, AM
Impelidores
A1) Helice Propeler (Naval)
A2) Helice PBT (Palhetas inclinadas)
B1) Hélice Turbina (Rushton)
B2) Hélice Disco de Cowles
C) Ancora
D) Ribbon (Helicoidal)
Fermentadores
Fermentadores
Volumes
5-1000 m³
Classificação dos Processos
Quanto a Condução
Batelada Simples Batelada
Alimentada
Batelada por Cortes
Contínuo
Reciclo de Inóculo
Volume
constante
Volume Final
Volume Inicial
Alimentação Alimentação
Saída
Volume
constante
Saída
Alimentação
Classificação dos Processos
Quanto ao Estado Físico do Meio
- Submerso
- Estado Sólido, ou Semi-Sólido
Sem agitação Agitação contínua ou frequente
Aeração
forçada
Sem
Aeração
forçada
Classificação dos Processos
Quanto ao Suprimento de O2
- Aeróbio (Natural ou forçado)
- AnaeróbioClostridium sp.
Cinéticas dos Processos
Gaden (Velocidades Especificas x Tempo)P associado a X P não associado a X
P semi-
associado
a X
tempo tempo tempo
[X][X] [X]
[P]
[P]
[P]
Limitação de
Nitrogenio e
Inicio da
Produção
Cinéticas dos Processos
Deindoerfer (Concentração x Tempo)
[P] [P][P]1
[P]2
[S] [S] [S]
[S]2
[S]1
[X]
[I]
Repressão
Catabólica
Diauxia
Tipos de Fermentadores
Coluna de Bolhas
Agitados Pneumaticamente
Air-lift
Células Imobilizadas
Tipos de Fermentadores
Leito Fixo Leito Fluidizado
AlimentaçãoAlimentação
Ar Ar
ArAr
SaídaSaída
Membranas
Tipos de Fermentadores
Alimentação
Saída
Ar
Substrato
Produto
Membranas
Tipos de Fermentadores
Processo Força Motriz Material retido Aplicações
Microfiltração ∆P (0,5 – 2 atm) MM > 500 kDa Esterilização de Meios;
Concentração de células;
Clarificação de Vinhos e
Cerveja
Ultrafiltração ∆P (1 – 7 atm) MM > 5 kDa Fracionamento e
concentração de
proteínas; Recuperação
de metabólitos
secundários
Nanofiltração ∆P (3 – 30 atm) MM > 0.2 kDa Dessalinização de
bebidas; Recuperação de
metabólitos secundários
Pervaporação ∆C Solutos menos
permeaveis
Recuperação de
metabólitos voláteis,
solventes
Eletrodiálise ∆E Solutos não-
iônicas
Recuperação de ácidos
orgânicos
Processos de Downstream
- Filtração
- Centrifugação
- Microfiltração
- Floculação
Separação
Rompimento Celular
- Método Químico: Solventes, Choque Osmótico, Detergentes,
Saponificação
- Método Físico: Ultrassom, Homogeneizador a Alta Pressão, Moinho
de Bolas, Termólise, Congelamento/Descongelamento
- Método Enzimático: Lisozima, Beta-Glucanase
Processos de Downstream
Extração
Concentração
- Solvente
- Bifásica Aquosa
- Membranas: Ultrafiltração, Nanofiltração
- Precipitação
Purificação- Cromatografia: Exclusão Molecular, Troca Iônica, Afinidade,
Interação Hidrofóbica, Adsorção
Integração Produção-Separação
Fermentação Extrativa Solventes utilizados: Dodecanol, dibutil-
ftalato, querosene, dioctil-ftalato, octanol, ciclohexano, silicone, dodecano,
hexadecano, e tetradecano
Arraste por Gás Passagem de gás (N2 ou CO2) pelo fermentador
durante a produção do metabólito, que é depois condensado, sendo o gás
reciclado para o processo
Adsorção Uso de matrizes poliméricas, carvão ativo, zeólitas, silica,
resinas de troca iônica.
Complexação Ciclodextrinas
Cálculos
Cálculos
Referências
- Biotecnologia Industrial, Vol. 2, Engenharia Bioquímica; Schmidell, W.; Lima, U.A.; Aquarone, E.; Borzani, W.; Editora Edgard
Blücher, 2001.
- Industrial Biotechnology, Soetaert, W.; Vandamme, E.J.; Wiley-
VCH, 2010.
- Comprehensive Biotechnology, Vol. 1, 2 e 3; Moo-Young,
M.; Elsevier, 2011.
- Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation,
Biocatalysis and Bioseparation, Vol. 1 – 5; Flickinger, M.C.;
Drew, S.W.; Wiley-Interscience, 1999.
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