Engenharia BioqumicaProf.: Vinicius Fernandes Moreira

-Nasceu durante a 2 Guerra (1939-1945) produo escala industrial de penicilina por fermentao -Objetivo: a aplicao dos conhecimentos da Engenharia Qumica na soluo de problemas que se apresentam na implantao de processos biotecnolgicos em larga escala, e em sua utilizao. - Diferentes microorganismos so utilizados para a produo de substancias de interesse comercial, como: antibiticos, cidos orgnicos, solventes, enzimas e biocombustiveis por processos fermentativos.

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O produto pode ser ainda o prprio microorganismo, como a produo de levedura de panificao e inoculantes agrcolas. As clulas microbianas podem ser utilizadas em processos de biotransformao. Exemplo: produo de esterides, aromas e fragrncias.

Tambm so utilizados em processos de tratamento de resduos e efluentes urbanos e industriais, na recuperao de metais, tais como cobre, chumbo e urnio. Processos de bioremediao do solo contaminado

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Os principais produtos podem ser agrupados de acordo com seu uso em: -Produtos da industria farmacutica (antibiticos, hormnios, vacinas, vitaminas, protenas) -Industrias de alimento (aminocidos, flavorizantes, polissacardeos) - Industria Qumica (etanol, acetona, butanol, glicerol, acido ltico, acido ctrico) OBS: Enzimas microbianas so utilizadas em diversos segmentos industriais no so classificadas quanto aplicao.

Os microorganismos produzem uma variedade muito grande de enzimas intracelulares em pequenas quantidades, para suas reaes metablicas.

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As enzimas (biocatalisadores) so catalisadores proticos, de alta eficincia em condies fisiolgicas e alta especificidade, sendo capazes de catalisar reaes estereoespecficas. Esse potencial cataltico utilizado industrialmente, no s nos clssicos processos fermentativos, mas tambm em processos de biotransformaes microbianas para a catlise de reaes qumicas de difcil ocorrncia. Exemplo: Produo de esterides utilizando-se Rhizopus nigricans. O fungo cultivado em biorreatores em condies otimizadas para atingir altas concentraes celulares. O substrato a ser transformado, a progesterona, adicionada ao biorreator. Aps um perodo de incubao, o produto da biotransformao, a 11-hidroprogesterona extrado com solvente orgnico.

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Esse composto pode ser transformado, por via qumica, para a produo industrial de outro esteride, a cortisona.

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anti-inflamatria e imunossupressora

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Enquanto as biotransformaes, os sistemas enzimticos de interesse no so extrados das clulas, a catlise enzimtica e industrial usa enzimas microbianas excretadas ou extradas de microorganismos e com diferentes graus de purificao. Enzimas microbianas excretadas so produzidas em maiores quantidades e tm funo principal de degradar macromolculas presentes no meio (como celulose, protenas), para que seus componentes possam ser absorvidos como nutrientes pelo organismo. As enzimas so utilizadas em muitos segmentos industriais, como o de alimentos e bebidas, de detergentes, txtil, couro, celulose e papel, qumica fina, medicamentos e cosmticos, etc.

Amilases, glicose oxidase, pectinases, invertase, renina, naraginase, lipases, proteases, celulases e peroxidases so os biocatalisadores mais utilizados.

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ENZIMA protease amilase e amiloglucosidase catalase glicose isomerase invertase lactase lipase celulase glicose oxidase

APLICAO quebra de molculas de protena sacarificao do amido

eliminao da gua oxigenada no processamento de alimentosproduo de isoglicose inverso da sacarose desdobramento da lactose desdobramento de leos e gorduras desdobramento da celulose remoo da glicose

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1) Biotecnologia de bacterias Embora as bactrias sejam mais conhecidas como microorganismos patognicos, a grande maioria inofensiva, inclusive benficas a outros seres vivos. Exemplo: Fixao de nitrognio molecular atmosfrico feita por bactrias dos generos Rhizoblum, Bradyrhizoblum e Frankia, que vivem em associaes simbiticas com plantas leguminosas, como feijo e soja. A grande maioria dos antibiticos com importncia comercial, produzida por fungos ou bactrias

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2) Biotecnologia de leveduras e fungos Historicamente uso de leveduras para a produo de po, vinho, cerveja e etc. (Saccharomyces cerevisiae). As fermentaes industriais com leveduras contribuem atualmente de forma significativa para a economia de vrios pases. So produzidas por ano centenas de toneladas de leveduras utilizadas para a produo de po e bebidas fermentadas e destiladas. Um outro importante produto industrial derivado de S. cerevisiae, o extrato de leveduras que tem importantes aplicaes na industria alimentcia e na de fermentaes industriais, servindo como componente do meio de fermentao.

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Outras leveduras dos gneros Torulopisis e Candida, sendo capazes de crescer em melao ou em licor sulfitico, sub-produtos da fabricao de acar e da industria de papel, respectivamente, so utilizadas para o tratamento desses resduos industriais. E a biomassa formada, pode ser utilizada como fonte de protenas para a alimentao animal. Considerando ainda o potencial biotecnolgico das leveduras, microorganismos dos gneros Saccharomyces, Kluyveromyces e Candida, so capazes de fermentar diferentes aucares a etanol.

3) Tecnologia do DNA recombinante A Biotecnologia pode ser divida em dois perodos principais: o primeiro, anterior ao uso da tecnologia do DNA recombinante, e o segundo aps a sua implantao em 1982, a partir dos experimentos realizados em 1973 por Hebert Boyer, Stanley Cohen e seus colaboradores.

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Clulas de bactrias modificadas geneticamente por tcnicas de Biologia molecular passam a produzir substncias codificadas por genes animais e vegetais. H aproximadamente trinta anos aprovao para o uso clinico de insulina humana produzida pela bactria Escherichia coli definiu a Engenharia Gentica como um poderoso instrumento para a modificao de microorganismos de forma a transform-los em unidades de produo de compostos de interesses. Protenas e peptdeos teraputicos, (como hormnio do crescimento, interferons, fatores de coagulao, entre outros) obteno e purificao em quantidades relevantes a partir de tecidos humanos ou animais era muito difcil os genes humanos que codificam para esses compostos foram clonados em E. coli e estes agentes passaram a ser produzidos em grandes quantidades.

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Embora os processos pioneiros de produo de protenas heterlogas tenham utilizado E. coli, o posterior desenvolvimento de tcnicas de Biologia Molecular para leveduras, baseadas em parte nos protocolos utilizados para bactrias, permitiu a sua insero neste processo de produo. O uso de tecnologia do DNA recombinante em leveduras, uma rea em expanso.

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Bioprocessos -Processos levados por agentes biolgicos -Definidos como um conjunto de operaes que efetuam o tratamento da matria-prima / resduo, o preparo dos meios, a esterilizao (quando demandar) e a transformao do substrato em produto por rota bioqumica, seguida de processos de separao e purificao de produtos. - So consideradas expresses sinnimas: processos fermentativos com microorganismos (naturalmente ocorrentes ou recombinantes), processo biotecnolgicos, processos em clulas animais ou vegetais, processos enzimticos ou os tratamentos biolgicos de resduos e efluentes. - A distino entre bioprocessos e processos qumicos est calada na natureza dos catalisadores utilizados em suas reaes. -Os bioprocesso so conduzidos mediante ao de agentes biolgicos, sendo, portanto, as transformaes catalisadas enzimaticamente.15

Algumas transformaes microbianas, analogamente s reaes qumicas, atingem rendimentos prximos ao mximo estequiomtrico. Outras, resultam em baixos valores de rendimento e produtividade. xito do bioprocesso maior compreenso sobre a fisiologia celular e a interao da clula com o ambiente qumico e fsico no biorreator.

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Aplicaes da catlise enzimtica As enzimas utilizadas pelas industrias qumicas e farmacuticas provm, em sua maioria, de processo fermentativos onde se cultiva um determinado microorganismo num processo que conduz enzima de interesse. Algumas enzimas podem ser obtidas de tecidos de plantas ou animais. Dentre as de utilizao industrial, as proteases so as mais utilizadas, representando cerca de 60% do mercado de enzimas.

As proteases - podem ser utilizadas pela industria de alimentos (panificao, queijos, amaciantes de carne) e tambm nas indstrias de detergentes (sua adio melhora a eficincia na remoo de manchas proticas).

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As lipases hidrolisam lipdeos produzindo cidos graxos e glicerina e so utilizados tambm na industria de detergentes, processamento de leos vegetais, laticnios e produo de biodiesel.As amilases hidrolise de amido ( amilase, amilase e glico-amilase) utilizadas na formao de detergentes, na industria txtil para desengomao de tecidos, e na produo de aucares pela sacarificao de amidos. As pectinases utilizadas nas industrias de sucos de frutas e vinhos, pois melhoram o rendimento, reduzem a viscosidade e a turbidez. As celulases (na verdade, um complexo enzimtico) so usadas na hidrolise da celulose, processamento de cereais, produo de lcool (a partir de resduos lignocelulsicos como palha e cascas de cereais).

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A glicose oxidase uso na medicina determinao do sangue na urina. A tripsina enzima digestiva usada por pessoas que tiveram cncer de estomago. A lisozima bactericida hidrolisa a parede celular de bactrias grampositivas. A estreptoquinase utilizada na dissoluo de cogulos nas artrias de recm-infartados. A aspartase converso do fumarato para aspartato (adoante de baixa caloria).

A glicose isomerase converso de glicose para frutose (1,5 vezes mais doce) bastante utilizada na industria de refrigerantes e sucos.19

Processos fermentativos -Um processo fermentativo envolve um conjunto de operaes e tcnicas envolvidas na transformao de um dado substrato num produto de interesse econmico e estas transformaes sero efetuadas por um microorganismo especialmente selecionado para aquela transformao a nvel industrial. -Efetuadas sob determinadas condies controladas de pH, temperatura, nutrientes, aerao, etc. -Processa-se dentro de um biorreator, tambm chamado de fermentador ou dorna de fermentao.

-O sucesso de um dado processo fermentativo depende muito da correta definio de 4 pontos bsicos: 1- A escolha do microorganismo 2- A formulao do meio de cultura 3- A forma de conduo do processo fermentativo 4- As etapas de recuperao do produto20

Os microorganismos devem reunir um conjunto de caractersticas de forma a serem para uma aplicao industrial. O meio de cultura e a matria-prima utilizada para obt-lo tambm deve possuir caractersticas para ser utilizado numa aplicao industrial. Exemplo: ser de fcil obteno, exigir o mnimo de tratamento prvio e conter o substrato a ser transformado no produto. As formas de conduo do processo fermentativo operao contnua ou descontnua (batelada), cada uma com suas caractersticas prprias de controles fsico-qumicos, vantagens e desvantagens. A recuperao do produto vai depender das caractersticas deste produto, a elaborao de estratgias com a seleo de um conjunto de operao unitrias a serem utilizadas numa seqncia at a obteno do produto final na forma desejada, que dever obedecer normas legais dependendo da sua aplicao. Alm disso, no se pode esquecer dos tratamentos dos efluentes produzidos.21

Substrato e matrias-primas para o processo de fermentao industrial Em geral, a matria-prima para o uso industrial deve possuir o maior nmero das seguintes caractersticas desejveis: -Ser o mais barato possvel, de fcil obteno e exigir pouco ou nenhum tratamento prvio; - deve conter o substrato e atender as necessidades nutricionais do microorganismo; - deve auxiliar no controle do processo, ou seja, no causar variaes drsticas de pH ou produo de espuma excessivas; - no provocar problemas na recuperao do produto. Ex: alta viscosidade, o que aumenta o custo com energia para a filtrao; - deve ser de fcil estocagem e permitir armazenamento por um tempo; - deve ter composio razoavelmente fixa; - no causar dificuldades no tratamento de efluentes.

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Tipos de matrias-primas 1) Matrias-primas amilceas o substrato principal o amido, que um polissacardeo formado por molculas de glicose (ligaes -1,4). O amido est presente em cereais como trigo, milho, cevada e arroz, e tambm em batatas, mandiocas e outros tubrculos. Podem ser usados na obteno de etanol destinado bebidas, perfumes, cosmticos, etc. 2) Matrias-primas celulsicas (ou lignocelulsicas) substrato principal a celulose, polissacardeo formado por molculas de glicose (ligaes 1,4). So obtidos de resduos agrcolas: casca de cereais, palhas, bagaos de frutas, sabugo de milho, serragem, resduo de industriais madeireiras, etc. Apresentam baixo teor de nitrognio e sais minerais, podem ser utilizados na produo de protenas, produo de etanol celulsico.

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AMIDO

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3) Metria-prima protica o substrato principal so as protenas solveis. Ex: sub-produto da industrializao do milho, a milhocina ou gua de milho, contem protenas solveis e sais minerais que podem ser utilizados na produo de antibiticos por fermentao. Ex2: o soro do leite alm de protenas solveis tem a lactose (um dissacardeo composto por glicose e galactose) pode ser tambm um substrato dessa matria-prima.

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4) Matrias-primas diversas hidrocarbonetos (alifticos e aromticos) podem ser utilizados na produo de compostos orgnicos oxigenados, como gorduras, steres, acido saliclico, lcool e protena. -Tambm algas e plantas marinhas que so ricas em glicdios e protenas podem ser utilizadas na produo de acetonas. - tambm os esterides encontrados em vegetais superiores, podem ser utilizados na produo de hormnios, etc.

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Tratamentos da matria-prima 1) O amido deve ser sacarificado, os microorganismos a serem utilizados no produzam enzimas , do tipo amilase. - Sacarificao hidrolise do amido liberando acares como maltose e glicose. Pode ser efetuada por mtodos qumicos (hidrolise acida ou bsica) ou por via bioqumica (utilizao de enzimas, amilases).

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Hidrolise enzimtica preferida feita de forma branda, conduz uma sacarificao limpa, evita problemas de corroso e melhor mosto.As amilases podem ser encontradas em alguns gros ou produzidas por fungos e bactrias. Para o amido ser sacarificado necessrio estar disperso numa soluo (amido solvel), consegue-se por cozimento.27

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2) A Celulose quando hidrolisada fornece cerca de 70% de monossacardeos como glicose, frutose, xilose. E aproximadamente 30% de ligninas.

-A lignina atua como barreira para o acesso da enzima e deve ser removida. -Tratamentos: - Alcalino = NaOH 4% com alta temperatura ; -Oxidativo = soluo de H2O2; -Exploso por vapor = a matria submetida a vapor, alta temperatura e a presso reduzida rapidamente causando uma exploso da cadeia.28

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Agentes Biolgicos Conhecer as caractersticas/ propriedades desses biocatalisadores (bem como melhor-las) levar a inmeras vantagens no desenvolvimento de Bioprocessos industriais. Fontes de Microorganismos de interesse industrial 1- Isolamentos a partir de recursos naturais (solo, gua, plantas, resduos em decomposio) enorme variedade -Muito trabalho experimental; -Custo alto; -Importante na obteno de novas linhagens. 2- Compra em colees de culturas - preciso saber qual espcie de interesse; -Geralmente na forma de p liofilizado em pequenas ampolas; - Preparao do inculo em volume crescente.30

3- Obteno de Mutantes naturais -Mutaes espontneas; -Aleatrias e imprevisveis.

Surto da E. coli na Europa causado por nova cepa da bactria - iG So Paulo | 02/06/2011

4 Obteno de Mutantes induzidos -Ao de agentes mutagnicos (Raios UV, substancias qumicas); -Caro. 5- Obteno de Microorganismos Recombinantes -Engenharia gentica;

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Caractersticas desejveis de microorganismos de interesse industrial 1 Apresentar elevada eficincia na converso do substrato em produto;

2 Permitir o acumulo de produto no meio: sofrer o mnimo possvel com os fenmenos de inibio pelo produto;3- No produzir substancias incompatveis com o produto. Ex.: a glicoamilase hidrolisa amido; alguns microorganismos tambm produzem transglocosidase, uma enzima que promove a polimerizao da glicose, no podendo mais ser hidrolisada por glicoamilase; 4- Apresentar Constancia quanto ao comportamento fisiolgico: dever ter comportamento previsvel em todas as etapas do processo. No basta ser bom produtor da substncia desejada; 5- No ser patognico (exceto em caso de vacina);

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6- No exigir condies de processo muito complexas: devero suportar condies de operao de biorreatores reais (transferncia de massa, nutrientes, oxignio, calor, etc.); 7- No exigir meios de cultura caros: mnimo de pr-tratamentos fsicos e qumicos, como adio de nutrientes e suplementos; 8- Permitir uma rpida liberao do produto para o meio: quanto mais rpido melhor (cintica da produo).

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