Download - Aula 2 - Eng BioQuimica B
18/02/2014
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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.