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

joaobatista@pq.cnpq.br

ENGENHARIA BIOQUÍMICA

INTRODUINTRODUÇÇÃOÃO

•• O QUE O QUE ÉÉ ENGENHARIA BIOQUENGENHARIA BIOQUÍÍMICA? MICA?

–– Engenharia BioquEngenharia Bioquíímica mica éé aplicaaplicaçção dos ão dos conhecimentos da Engenharia Quconhecimentos da Engenharia Quíímica na mica na solusoluçção de problemas que se apresentam na ão de problemas que se apresentam na implantaimplantaçção de processos ão de processos biotecnolbiotecnolóógicosgicos em em larga escala e em sua otimizalarga escala e em sua otimizaçção;ão;

–– Processos onde ocorre a transformaProcessos onde ocorre a transformaçção de ão de matmatéériasrias--primas em produtos atravprimas em produtos atravéés da as da açção ão de material de origem ou carde material de origem ou carááter biolter biolóógico: gico: ccéélulas (microbianas, animais ou vegetais) ou lulas (microbianas, animais ou vegetais) ou enzimas;enzimas;

INTRODUINTRODUÇÇÃOÃO

•• INTERDICIPLINARIDADE:INTERDICIPLINARIDADE:

-- O uso desta O uso desta áárea de conhecimento rea de conhecimento atuando em conjunto com diferentes atuando em conjunto com diferentes profissionais, como profissionais, como éé o caso dos o caso dos geneticistas, biologistas moleculares, geneticistas, biologistas moleculares, microbiologistas, bioqumicrobiologistas, bioquíímicos e micos e engenheiros agrônomos e engenheiros engenheiros agrônomos e engenheiros bioqubioquíímicos, permitem aplicar a micos, permitem aplicar a Engenharia BioquEngenharia Bioquíímicamica

INTRODUINTRODUÇÇÃOÃO

•• INTERDICIPLINARIDADE:INTERDICIPLINARIDADE:

A Engenharia BioquA Engenharia Bioquíímica se encontra em nosso mica se encontra em nosso cotidiano, e nem damos atencotidiano, e nem damos atençção a isso, vejamos abaixo ão a isso, vejamos abaixo alguns exemplos.alguns exemplos.CCONHECIMENTO:ONHECIMENTO: Microbiologia, BioquMicrobiologia, Bioquíímica, Genmica, Genéética, tica, Engenharia, QuEngenharia, Quíímica, Informmica, Informáática;tica;BENS:BENS: Alimentos, Bebidas, Produtos QuAlimentos, Bebidas, Produtos Quíímicos, Energia, micos, Energia, Produtos Farmacêuticos, Pesticidas, etc;Produtos Farmacêuticos, Pesticidas, etc;AAGENTES BIOLGENTES BIOLÓÓGICOS:GICOS: Microrganismos, CMicrorganismos, Céélulas e lulas e MolMolééculas (Enzimas, Anticorpos, DNA, etc.);culas (Enzimas, Anticorpos, DNA, etc.);SSERVIERVIÇÇOS:OS: PurificaPurificaçção da ão da áágua, Tratamentos de gua, Tratamentos de resresííduos, Controle de poluiduos, Controle de poluiçção, etc.ão, etc.

INTRODUINTRODUÇÇÃOÃO

• Estes conhecimentos permitem atuar nos:• Projeto de biorreatores;• Estudos de cinética de processos

bioquímicos;• Modelagem e simulação;• Purificação de produtos biológicos;• Transferência de oxigênio e ampliação de

escala;• Análise econômica;• Instrumentação e controle

ORIGEMORIGEM

• Do termo, desde a Segunda Guerra (penicilina);

• Porém, Vinho, Pão, Cerveja, Queijo, Picles, Iogurte, Vinagre, produtos descobertos na antiguidade quase por acaso, já eram conhecidos, e hoje considerados produtos obtidos por processo bioquímicos.

ORIGEMORIGEM

ORIGEMORIGEM

• FATOS IMPORTANTES:

• 8000 A.C.: vinhos, cervejas e vinagres;

• 4000 A.C.: surgem os laticínios;

• 500 A.C: processo de salga e picles;

Monges: Utilização do lúpulo

IDADE MÉDIA (476dC-1453dC)

ORIGEMORIGEM

• FATOS IMPORTANTES:

• 1808 D.C: cerveja chega ao Brasil;

• 1861 D.C: Pauster desenvolve a pasteurização;

• 1990 D.C: enzima para fabricação de queijo (primeiro produto modificado EUA);

EVOLUEVOLUÇÇÃOÃO• Final da segunda guerra devido a quantidade

de feridos, existe a necessidade do desenvolvimento de novas técnicas para obtenção de probióticos e em grande escala;

• As técnicas usadas até aquele momento, com o cultivo de fungos em superfície não supria a demanda;

• O conhecimento da Engenharia de Processos oriundo dos processos químicos tradicionais éutilizada para aumentar a produção de antibióticos;

EVOLUEVOLUÇÇÃOÃO

• A produção de penicilina em larga escala revoluciona o processo descoberto por Alexander Fleming em 1928;

• A humanidade passa então a beneficiar-se de produtos com propriedades organolépticasmais requintados, obtidos pela ação de microrganismos, dentre eles o queijo, pão, iogurte, cerveja, vinhos e destilados;

EVOLUEVOLUÇÇÃOÃO• Antes do inicio da segunda guerra os

processos fermentativos não dispertavaminteresse porque os produtos não alimentícios, como os solventes e ácidos orgânicos já eram produzidos por processos químicos;

• A colaboração de profissionais da área de engenharia e da área biológica permitiu o desenvolvimento de novas técnicas de obtenção de novos produtos usando a ação de microrganismos;

EVOLUEVOLUÇÇÃOÃO• Inicialmente, os cultivos foram realizados em

frascos em plataformas giratórias, mas existia a limitação na transferência de oxigênio;

• O uso de frascos agitados e aerados usados como fermentadores em 1947, foi o primeiro biorreator utilizando os conhecimentos da Engenharia Química, Biologia e Bioquímica, produzido pela americana New Brunswick;

• Ainda em 1947 a Merck é premiada por produzir o antibióticos estreptomicina surgindo então oficialmente o termo Engenharia Bioquímica;

EVOLUEVOLUÇÇÃOÃO

• Novos produtos passaram a ser produzidos por processos bioquímicos;

• Considerando aspectos como ampliação de escalas, preparação de meio de cultura (Bioquímica, Microbiologia e Engenharia);

• Conclui-se que a Engenharia Bioquímica estáinserida na Biotecnologia Industrial e tem características multidisciplinares necessitando de conhecimentos como Biologia, Química, Engenharia, Bioquímica, Biologia Molecular, Matemática e Computação.

EVOLUEVOLUÇÇÃOÃO

EVOLUEVOLUÇÇÃOÃO

PRODUTOS OBTIDOS A PARTIR DESTE PRODUTOS OBTIDOS A PARTIR DESTE PROCESSOS BIOQUPROCESSOS BIOQUÍÍMICOS:MICOS:

-- enzimas (utilizadas amplamente nas indenzimas (utilizadas amplamente nas indúústrias strias têxtil e de alimentos);têxtil e de alimentos);

–– áácidos orgânicos (com aplicacidos orgânicos (com aplicaçções diversas na ões diversas na indindúústria qustria quíímica);mica);

–– antibiantibióóticos, vacinas e hormônios (utilizados na ticos, vacinas e hormônios (utilizados na áárea de sarea de saúúde humana e animal);de humana e animal);

–– anticorpos (utilizados em kits de diagnanticorpos (utilizados em kits de diagnóóstico);stico);–– fermento (para uso caseiro e na indfermento (para uso caseiro e na indúústria stria

alimentalimentíícia);cia);–– aminoaminoáácidos.cidos.

EVOLUEVOLUÇÇÃOÃO

PRODUTOS OBTIDOS A PARTIR DESTE PRODUTOS OBTIDOS A PARTIR DESTE PROCESSOS BIOQUPROCESSOS BIOQUÍÍMICOS:MICOS:

Etanol CombustEtanol Combustííveis;veis;

Etanol produzido por fermentaEtanol produzido por fermentaçção do caldo de ão do caldo de cana ou hidrolisados cana ou hidrolisados amilamilááceosceos

EVOLUEVOLUÇÇÃOÃO

BEBIDAS OBTIDAS A PARTIR DE PROCESSOS BEBIDAS OBTIDAS A PARTIR DE PROCESSOS BIOQUBIOQUÍÍMICOS:MICOS:

Etanol em BebidasEtanol em BebidasBebidas Fermentadas:Bebidas Fermentadas:CaxiriCaxiri;;Cervejas;Cervejas;Vinhos;Vinhos;Fermentados de frutas;Fermentados de frutas;Sidras;Sidras;

EVOLUEVOLUÇÇÃOÃO

BEBIDAS OBTIDAS A PARTIR DE PROCESSOS BEBIDAS OBTIDAS A PARTIR DE PROCESSOS BIOQUBIOQUÍÍMICOS:MICOS:

Bebidas Destiladas:Bebidas Destiladas:Aguardentes;Aguardentes;CognacCognac;;Destilados de vinhos;Destilados de vinhos;GraspaGraspa;;Pisco;Pisco;Rum;Rum;Tequila;Tequila;TiquiraTiquira;;UUíísque.sque.

EVOLUEVOLUÇÇÃOÃO

BEBIDAS OBTIDAS A PARTIR DE PROCESSOS BEBIDAS OBTIDAS A PARTIR DE PROCESSOS BIOQUBIOQUÍÍMICOS:MICOS:

Bebidas Retificadas:Bebidas Retificadas:Vodka;Vodka;GinGinBebidas Obtidas por MisturasBebidas Obtidas por MisturasLicores;Licores;Sangria;Sangria;CoolerCooler;;

FONTE: BEBIDASFONTE: BEBIDAS1. CERVEJA. DRAGONE, G.,

ALMEIDA e SILVA, J.B. Capítulo 2. p. 15-50, 2010

2. PRODUÇÃO DE CERVEJA PELO PROCESSO CONTÍNUO. DRAGONE, G., BRÁNYIK, T., TEIXEIRA, J.A., ALMEIDA e SILVA, J.B. Capítulo 3. p.51-67, 2010.

3. CERVEJA SEM ÁLCOOL. SILVA, D.P., BRÁNYIK, T., TEIXEIRA, J.A., ALMEIDA e SILVA, J.B. Capítulo 4. p.69-84, 2010.

4. UÍSQUE. DRAGONE, G., FLOREZ, M.D.G., GARCIA, M.A.V., ALMEIDA e SILVA, J.B. Capítulo 20. p.385-410, 2010

EVOLUEVOLUÇÇÃOÃO

PROCESSOS BIOQUPROCESSOS BIOQUÍÍMICOS:MICOS:--PassaPassa--se então a estudar a utilizase então a estudar a utilizaçção de cão de céélulas lulas

vegetais e animais com objetivo de obter produtos de vegetais e animais com objetivo de obter produtos de estruturas mais complexas e maior valor agregado;estruturas mais complexas e maior valor agregado;

--Melhoria significativa na produtividade e no Melhoria significativa na produtividade e no rendimento dos processos em funrendimento dos processos em funçção de projetos ão de projetos com novas configuracom novas configuraçções dos ões dos biorreatoresbiorreatores, meios de , meios de cultura e cepas mais produtivas;cultura e cepas mais produtivas;

--A este progresso duas novas A este progresso duas novas ááreas do conhecimento reas do conhecimento foram extremamente importantes: Informforam extremamente importantes: Informáática e tica e Biologia MolecularBiologia Molecular

EVOLUEVOLUÇÇÃOÃOPROCESSOS BIOQUPROCESSOS BIOQUÍÍMICOS:MICOS:-- O uso de computadores permitiram o uso de modelos O uso de computadores permitiram o uso de modelos

matemmatemááticos para o estudo cinticos para o estudo cinéético dos processos;tico dos processos;

-- A tecnologia de DNA A tecnologia de DNA recombinanterecombinante permitiram permitiram modificar a capacidade dos m.o;modificar a capacidade dos m.o;

-- Surge tambSurge tambéém as tm as téécnicas de cnicas de DownDown--StreamStream que que permitiram conhecimentos de operapermitiram conhecimentos de operaçções unitões unitáárias rias mais requintados facilitando a obtenmais requintados facilitando a obtençção de produtos ão de produtos mais puros e com alto valor agregado, como os mais puros e com alto valor agregado, como os hormônios, vacinas, reagentes, produtos obtidos hormônios, vacinas, reagentes, produtos obtidos pela qupela quíímica fina para uso alimentmica fina para uso alimentíícios e cios e farmacêuticos. farmacêuticos.

EVOLUEVOLUÇÇÃOÃOPROCESSOS BIOQUPROCESSOS BIOQUÍÍMICOS:MICOS:-- Muitos desafios e potenciais de aplicaMuitos desafios e potenciais de aplicaçção ainda ão ainda

existem:existem:-- ObtenObtençção de produtos com valor agregados;ão de produtos com valor agregados;-- Tratamentos biolTratamentos biolóógicos de efluentes;gicos de efluentes;-- ObtenObtençção de produtos com custos mais ão de produtos com custos mais

competitivos;competitivos;-- SubstituiSubstituiçção de processos e produtos agressivos ao ão de processos e produtos agressivos ao

meio ambiente;meio ambiente;-- Desenvolvimento de processos e equipamentos Desenvolvimento de processos e equipamentos

mais produtivos;mais produtivos;-- Uso de matUso de matéériasrias--primas alternativas;primas alternativas;-- Tratamento biolTratamento biolóógicos de efluentes;gicos de efluentes;-- Tecnologia mais limpa;Tecnologia mais limpa;-- InovaInovaçção.ão.

ProdutividadeProdutividade: proporcionar: proporcionaráá a redua reduçção de custos ão de custos ééo grande motivador da busca de maior o grande motivador da busca de maior produtividade, tanto no nprodutividade, tanto no níível da operavel da operaçção;ão;

QualidadeQualidade: a melhoria continua da qualidade : a melhoria continua da qualidade éé a a chave para o sucesso industrial, pois chave para o sucesso industrial, pois éé melhorando melhorando a qualidade que se consegue diminuir os custos e a qualidade que se consegue diminuir os custos e aumentar a produtividade;aumentar a produtividade;

TecnologiaTecnologia: a importância do desenvolvimento : a importância do desenvolvimento tecnoltecnolóógico leva a obtengico leva a obtençção de vantagem ão de vantagem competitiva.competitiva.

INOVAINOVAÇÇÃO BUSCAÃO BUSCA

Adotar estratAdotar estratéégias e tecnologia para gerar lucros;gias e tecnologia para gerar lucros;

Gerar conhecimento, globalizaGerar conhecimento, globalizaçção e competião e competiçção ão para manterpara manter--se no mercado diante da se no mercado diante da competitividade das empresas;competitividade das empresas;

A globalizaA globalizaçção fez com que os paão fez com que os paííses permitissem a ses permitissem a abertura da economia;abertura da economia;

A elaboraA elaboraçção de estratão de estratéégia competitiva ganha gia competitiva ganha maior relevância em decorrência do acirramento da maior relevância em decorrência do acirramento da concorrênciaconcorrência ..

INOVAINOVAÇÇÃO BUSCAÃO BUSCA

Fusão da Companhia Antarctica Paulista e a Companhia Fusão da Companhia Antarctica Paulista e a Companhia Cervejaria Brahma, Cervejaria Brahma,

Hoje a empresa Companhia de Bebidas das AmHoje a empresa Companhia de Bebidas das Amééricas, possuricas, possuíímais de 70% de participamais de 70% de participaçção no mercado nacional de bebidas;ão no mercado nacional de bebidas;

Continuam adotando as estratContinuam adotando as estratéégias para manter sua gias para manter sua participaparticipaçção no mercado de bebidas;ão no mercado de bebidas;

Fusões com a belga Fusões com a belga InterbrewInterbrew e com a americana e com a americana AnheuserAnheuser--BuschBusch, produzindo 25% de toda a cerveja produzida no , produzindo 25% de toda a cerveja produzida no

mundo.mundo.

EXEMPLOS DE INOVAEXEMPLOS DE INOVAÇÇÃOÃO

Para o sucesso da inovaPara o sucesso da inovaçção, muitas pesquisas tem ão, muitas pesquisas tem que ser conduzidas:que ser conduzidas:Pesquisa bPesquisa báásicasica: trabalho criativo realizado para : trabalho criativo realizado para ampliar o conhecimento cientampliar o conhecimento cientíífico. Este esforfico. Este esforçço não o não éé direcionado a um objetivo especdirecionado a um objetivo especíífico ou prfico ou práático;tico;Pesquisa aplicadaPesquisa aplicada: pesquisa original dirigida a um : pesquisa original dirigida a um alvo pralvo práático ou objetivo tico ou objetivo prpréédeterminadodeterminado. Pode . Pode representar a articularepresentar a articulaçção da pesquisa bão da pesquisa báásica com sica com sua forma prsua forma práática;tica;Desenvolvimento experimentalDesenvolvimento experimental: representa o uso : representa o uso do conhecimento cientdo conhecimento cientíífico para produzir novos fico para produzir novos produtos ou materiais, dispositivos, processos, produtos ou materiais, dispositivos, processos, sistemas ou servisistemas ou serviçços melhorados substancialmente.os melhorados substancialmente.

INOVAINOVAÇÇÕES TECNOLÕES TECNOLÓÓGICASGICAS

Instituto Brasileiro de Geografia e EstatInstituto Brasileiro de Geografia e Estatíística (IBGE), stica (IBGE), apresenta os seguintes conceitos para o processo de inovaapresenta os seguintes conceitos para o processo de inovaçção:ão:

InovaInovaçção tecnolão tecnolóógicagica como a fase de implementacomo a fase de implementaçção de ão de produtos (bens ou serviprodutos (bens ou serviçços) ou processos tecnologicamente os) ou processos tecnologicamente novos ou substancialmente aprimorados;novos ou substancialmente aprimorados;

ImplementaImplementaçção da inovaão da inovaççãoão éé fase em que o produto fase em que o produto ééintroduzido no mercado ou quando o processo passa a ser introduzido no mercado ou quando o processo passa a ser operado pela empresa;operado pela empresa;

Produto tecnologicamente novoProduto tecnologicamente novo éé aquele cujas caracteraquele cujas caracteríísticas sticas fundamentais diferem significativamente de todos os fundamentais diferem significativamente de todos os produtos previamente produzidos pela empresa.produtos previamente produzidos pela empresa.

INOVAINOVAÇÇÕES TECNOLÕES TECNOLÓÓGICASGICAS

Etanol de primeira geraEtanol de primeira geraçção: produzido a partir de ão: produzido a partir de caldo de cana (leveduras selecionadas, caldo de cana (leveduras selecionadas, alteraalteraççaoao da da relarelaçção ão bagabagaçço/caldoo/caldo;;

Etanol de segunda geraEtanol de segunda geraçção: produzido a partir de ão: produzido a partir de materiais materiais lignocelullignocelulóósicossicos;;

Etanol de terceira geraEtanol de terceira geraçção: produzido a partir de ão: produzido a partir de hidrolisado de hidrolisado de macroalgasmacroalgas marinhas;marinhas;

INOVAINOVAÇÇÕES TECNOLÕES TECNOLÓÓGICASGICAS

Vodka gaseificada;Vodka gaseificada;Cervejas aromatizadas (abacaxi, compota de Cervejas aromatizadas (abacaxi, compota de frutas e manjericão, pêssegos, limão, frutas e manjericão, pêssegos, limão, chocolate, rosas);chocolate, rosas);Cerveja produzidas como os vinhos, que Cerveja produzidas como os vinhos, que trazem no rtrazem no róótulo a safra, e tulo a safra, e envasadasenvasadas em em garrafas com rolhas que podem ser garrafas com rolhas que podem ser guardadas em adegas por muitos anos;guardadas em adegas por muitos anos;Cervejas com adjuntos não convencionais Cervejas com adjuntos não convencionais (arroz preto, banana, pupunha, pinhão, (arroz preto, banana, pupunha, pinhão, melamelaçço de cana);o de cana);

INOVAINOVAÇÇÕES TECNOLÕES TECNOLÓÓGICASGICAS