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1.

INTRODUO

O objetivo primordial da biotecnologia a obteno de produtos metablicos teis atravs do processamento biolgico. Entende-se por processo biolgico, todo sistema reacional envolvendo seres vivos. Dentre estes seres, destacam-se microrganismos tais como fungos, bactrias, algas, etc. Denominam-se processos fermentativos os processos biolgicos que tm aplicao industrial. (RECH, 2006, p. 10) Em termos industriais, entretanto, aceita-se a denominao fermentao ou processo fermentativo para caracterizar qualquer transformao intermediada por um microorganismo atravs de uma seqncia de reaes bioqumicas. Assim, so considerados, tambm, processos fermentativos, as transformaes envolvendo respirao microbiana, biossntese, fotossntese e respirao com substratos inorgnicos. (BARROS, 2002, p. 53) Desde os primrdios da civilizao, o homem vem utilizando, mesmo que inconscientemente, as fermentaes para a produo de bens de consumo. Exemplos clssicos dessa pratica esto includos entre os alimentos, como o po e o queijo, e as bebidas, como a cerveja e o vinho. H indcios de que, por volta de 6000 a.C., os antigos mesopotmicos j produziam um tipo de cerveja, aproveitando a cevada que, naquela regio, crescia em estado selvagem. Nas pirmides egpcias, foram encontradas evidencias da fabricao de po usando leveduras, h milhares de anos. (BARROS, 2002, p. 47) Foi o cientista francs Louis Pasteur, quem criou, no final do sculo XIX, o termo fermentao, que reservou exclusivamente para os processos em que as transformaes provocadas por leveduras e outros microrganismos ocorriam na ausncia de ar. Em 1897, Eduard Buchner, ao isolar enzimas de levedura, mostrou que eram elas, e no as leveduras, as verdadeiras responsveis pela fermentao alcolica. (WARD, 1991, p. 2) Ao longo do sculo XX, um nmero considervel de processos fermentativos industriais foi introduzido ou aperfeioado aproveitando o potencial de matriasprimas renovveis na obteno de produtos qumicos, combustveis, alimentos e bebidas, bioinseticidas, biofertilizantes, frmacos e enzimas, dentre outros. Dentre essas matrias-primas, os resduos agrcolas e agroindustriais desempenham um

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papel marcante, com uma gama de processos fermentativos sendo realizados com base em materiais como, por exemplo, caldo e melao de cana-de-acar, farelos de soja, trigo, milho, aveia e arroz, resduos celulsicos e da indstria de papel. (BARROS, 2002, p. 47) Neste trabalho, sero discutidos os principais aspectos relacionados s fermentaes industriais, sendo ainda apresentados alguns exemplos de produtos obtidos nesse tipo de processo.

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2.1.1.

DESENVOLVIMENTO MICROORGANISMOS INDUSTRIAIS

Entre

os

microorganismos

com

aplicao

industrial

em

processos

fermentativos, incluem-se, principalmente, as bactrias, os bolores ou fungos filamentosos e as leveduras ou fungos unicelulares. (BARROS, 2002, p. 48) Para a execuo com sucesso de um processo fermentativo, necessrio que sejam respeitadas as caractersticas do agente fermentativo. Dependendo de cada grupo, gnero, espcie e linhagem microbiana, tanto em termos de crescimento quanto de formao de produtos, haver a necessidade da formulao de um meio de cultura com a adequada proporo de nutrientes. (BARROS, 2002, p. 48) O uso de condies ambientais adequadas , tambm, fundamental para os resultados do processos fermentativos. (BARROS, 2002, p. 48) A definio adequada do microorganismo a ser empregado, assim como do meio de cultura para este microorganismo, etapa fundamental para o sucesso de um processo fermentativo. No entanto, sempre importante lembrar que a definio de um processo fermentativo mais adequado, assim como as preocupaes com a recuperao do produto, so etapas da mais alta importncia. (BORZANI) 2.1.1 Caractersticas desejveis de microorganismos para aplicao industrial Para uma aplicao industrial, espera-se que os microorganismos

apresentem as seguintes caractersticas gerais: - apresentar elevada eficincia na converso do substrato em produto; - permitir o acmulo do produto no meio, de forma a se ter elevada concentrao do produto no caldo fermentado; - no produzir substncias incompatveis com o produto; - apresentar constncia quanto ao comportamento fisiolgico; - no ser patognico; - no exigir condies de processo muito complexas; - no exigir meios de cultura dispendiosos;

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- permitir a rpida liberao de produto para o meio. (SCHMIDELL, 2001)

2.1.2 Condies ambientais desejveis Dentre as condies ambientais mais importantes podem ser citadas: (BARROS, 2002, p. 48)

Temperatura: dependendo da sua temperatura ideal de crescimento,

os microorganismos podem ser classificados em psicrfilos (temperatura ideal at 25C), mesfilos (temperatura ideal entre 25C e 40C) e termfilos (temperatura ideal acima de 40C);

pH: em geral, as bactrias preferem ambientes com pH levemente

cidos a neutros, e as leveduras se desenvolvem bem com o pH entre 4 e 6, enquanto que os fungos filamentosos admitem uma ampla faixa: 3 at 8;

Oxignio: os microorganismos podem ser classificados como aerbios

(dependem da presena de oxignio), anaerbios estritos (exigem a completa ausncia de oxignio), anaerbios facultativos (desenvolvem-se bem em aerobiose e em anaerobiose), microaerfilos (necessitam de quantidades mnimas de oxignio) e aerotolerantes (suportam a presena de oxignio, embora se desenvolvam melhor em anaerobiose).

2.2

PRINCIPAIS FASES DE UM PROCESSO FERMENTATIVO

2.2.1 Preparo do Inculo Chama-se inculo, p-de-cuba ou p-de-fermentao um volume de suspenso de microorganismo de concentrao adequada capaz de garantir, em condies econmicas, a fermentao de um dado volume de mosto. Para que se obtenha um inculo com capacidade produtiva elevada, deve-se dar condies para que o microorganismo desejado seja propagado, que incluem desde sua manuteno at a propagao propriamente dita. (SCHMIDELL, 2001, p. 194) O preparo do inculo consiste de uma srie de passos que visam obter uma populao microbiana elevada, ativa e adaptada s condies do processo, a ser

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adicionada ao meio do fermentador principal, para iniciar a fermentao. Pode-se partir de culturas puras estocadas em laboratrio e aumentar gradativamente o volume da suspenso microbiana, atravs de transferncias sucessivas pata frascos cada vez maiores. Outras vezes, os microorganismos utilizados numa batelada so recuperados por centrifugao ou filtrao, tratados para a eliminao de contaminantes, e reutilizados na batelada seguinte. A opo pela forma de preparo o inculo depende de cada processo. Se um microorganismo muito suscetvel a mutaes ou alteraes de comportamento, ou ainda, se o nvel de contaminao por agentes externos da planta industrial for muito elevado, a reutilizao do cultivo deve ser evitada. (BARROS, 2002, p.58 - 59) O volume de inculo introduzido no fermentador de produo est comumente ao redor de 10% de sua capacidade til. No entanto, pode variar de 0,5 a 50%. (SCHMIDELL, 2001, p. 195) 2.2.2 Matrias-primas, preparo do meio e esterilizao Para a realizao da fermentao, necessrio que seja preparado um meio, ou mosto, que favorea tanto o crescimento microbiano quanto a formao do produto. (BARROS, 2002, p. 60) Como j se sabe, cada microorganismo possui condies timas de crescimento tais como: temperatura, pH, nvel de oxignio dissolvido, entre outras. O meio de cultivo, por sua vez, tem influncia marcante nesse processo. Em microbiologia, chamado de meio de cultura. Aqui, na rea de fermentaes industriais, chamado de mosto ou meio de fermentao. Este, deve possuir nutrientes classificados nos seguintes grupos: a) fontes dos elementos principais C, H, O e N; b) fonte dos elementos secundrios P, K, S, Mg; c) vitaminas e hormnios; d) fontes de traos de elementos, ou seja, requerimentos de elementos em quantidades mnimas para o crescimento microbiano (por exemplo, Ca, Mn, Fe, Co, Cu, Zn). (SCHMIDELL, 2001, p. 196) Na formao de um meio de fermentao (mosto) deve-se levar em conta a necessidade desses nutrientes, lembrando que o meio, alm de propiciar o desenvolvimento microbiano, deve favorecer a formao do produto que se deseja. (SCHMIDELL, 2001, p. 197)

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Alguns dos substratos e/ou matrias-primas, possveis para utilizao em cultivos microbianos, so: acares, melaos, soro de leite, celulose, amido, resduos como liquor sulftico e gua de macerao de milho, metanol, etanol, alcanos, leos e gorduras, etc. (SCHMIDELL, 2001, p. 198) 2.2.2.1 Caractersticas desejveis de meios de cultivo para aplicao industrial (SCHMIDELL, 2001, p. 15 - 16) Algumas caractersticas gerais, que devem ser consideradas, so: - ser o mais barato possvel; - atender s necessidades nutricionais do microorganismo; - auxiliar no controle do processo, como o caso de ser ligeiramente tamponado, o que evita variaes drsticas de pH, ou evitar uma excessiva formao de espuma; - no provocar problemas na recuperao do produto; - os componentes devem permitir algum tempo de armazenamento, a fim de estarem disponveis todo o tempo; - ter composio razoavelmente fixa; - no causar dificuldades no tratamento final do efluente. Aps a sua preparao, o meio pode ser esterilizado, a fim de eliminar microorganismos contaminantes e evitar a queda do rendimento do processo, dentre outros problemas. A esterilizao , em geral, feita por tratamento trmico. (BARROS, 2002, p. 60) 2.2.3 Recuperao e purificao de produtos A recuperao e a purificao dos produtos presentes no biorreator fazem parte dos chamados tratamentos finais em processos biotecnolgicos. Em geral, essa a etapa mais complexa e onerosa de um processo fermentativo. (BARROS, 2002, p. 61) Na recuperao e purificao de produtos so usadas muitas tcnicas comuns nos processos qumicos, dependendo das caractersticas de cada produto e do meio em que ele est contido. preciso, primeiramente, separar as clulas e

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outros materiais slidos do meio, atravs de mtodos fsicos como a sedimentao, a filtrao e a centrifugao. Em seguida, dependendo se o produto intracelular ou extracelular, so usados, para o primeiro caso, mtodos de ruptura de clulas, para liberao do produto, e feito o enriquecimento, usando diferentes tcnicas como, por exemplo, no caso da fermentao alcolica, a destilao. (BARROS, 2002, p. 61)

Figura 1.2: Fluxograma de um processo fermentativo Fonte: Schmidell et al., 2001

2.3

BIORREATORES Denominam-se biorreatores, reatores bioqumicos, ou ainda, reatores

biolgicos, os reatores qumicos nos quais ocorrem uma srie de reaes qumicas catalisadas por biocatalisadores, os quais podem ser enzimas ou clulas vivas. Assim, logo de incio, pode-se classificar os biorreatores em dois grandes grupos: (PORTO, 2005)

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Grupo 1: Biorreatores nos quais as reaes ocorrem na ausncia de clulas vivas, ou seja, so tipicamente os reatores enzimticos; Grupo 2: Biorreatores nos quais as reaes se processam na presena de clulas vivas. Em qualquer processo biotecnolgico industrial, o elemento central o reator, pois nele se desenvolvem, devidamente controlados, as transformaes de interesse. Isso no quer dizer que o reator constitui a etapa mais importante do processo. Para que o resultado que se tem em vista seja alcanado, dois outros conjuntos de operao devem ser tambm cuidadosamente considerados, a saber: (BORZANI, 2001, p. 249)

Os tratamentos iniciais: Up Stream que antecedem a operao no reator

e cuja a finalidade colocar ao sistema nas condies previamente escolhidas, para que as transformaes, no reator, se desenvolvam.

Os tratamentos finais: Down Stream que englobam a separao e a

purificao dos produtos e subprodutos obtidos, bem como o tratamento dos resduos formados. Se os agentes das transformaes so microorganismos vivos, de modo que as reaes que se desenvolvem no reator so conseqncias da atividade vital das clulas microbianas, o processo denominado processo fermentativo. Neste caso,o reator , muito frequentemente, chamado de fermentador ou dorna. (BORZANI, 2001, p. 250) 2.3.1 Classificao dos biorreatores Os biorreatores podem receber diversos tipos de classificao, como por exemplo: (PORTO, 2005) - quanto ao tipo de biocatalisador (clulas ou enzimas); - quanto configurao de biocatalisador (cel/enz livres ou imobilizadas); - quanto a forma de se agitar o lquido no biorreator. Considerando as vrias propostas uma classificao mista e abrangente apresentada na Tabela 1, seguir.

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Tabela 1: Classificao geral dos biorreatores. CLASSIFICAO DOS BIORREATORES 1. Reatores em fase aquosa (fermentao submersa): 1.1. Clulas ou enzimas livres: - reatores agitados mecanicamente (STR: stirred tank reactors) - reatores agitados pneumaticamente:

coluna de bolhas (bubble column) reatores air-lift

- reatores de fluxo empistonado (plug-flow) 1.2. clulas ou enzimas imobilizadas em suportes: - reatores com leito fixo; - reatores com leito fluidizado - outras concepes 1.3. clulas ou enzimas confinadas em membranas: - reatores com membranas planas - reatores de fibra oca 2. Reatores de fase no aquosa (fermentao semi-slida) - reatores estticos (bandejas) - reatores com agitao (tambor rotativo) - reatores com leito fixo - reatores com leito fluidizado gs-slido. Fonte: Schmidell et al., 2001 A Figura 2 mostra alguns tipos de configuraes de biorreatores.

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Figura 2: Configuraes de biorreatores (a) STR; (b) coluna de bolhas; (c) air-lift; (d) plug-flow; (e) com clulas imobilizadas (leito fixo); (f) com clulas imobilizadas (leito fluidizado); (g) reator com membranas planas; (h) hollow-fiber Fonte: Schmidell et al., 2001

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2.4

PROCESSOS FERMENTATIVOS a) descontnuo b) descontnuo alimentado: c) semicontnuo: d) contnuo: e) em estado slido

2.4.1 Fermentao Descontnua As fermentaes descontnuas clssicas, ou simplesmente, fermentaes descontnuas, vm sendo utilizadas pelo homem desde a Antiguidade e, ainda hoje, so as mais empregadas para obteno de vrios produtos fermentados. So tambm conhecidas por fermentaes por batelada ou processo descontnuo de fermentao. (SCHMIDELL, 2001, p. 193 - 204) Seu modo de operao pode ser descrito assim: no instante inicial a soluo nutriente esterilizada no fermentador inoculada com microorganismos e incubada, de modo a permitir que a fermentao ocorra sob condies timas. No decorrer do processo fermentativo nada adicionado, exceto oxignio, no caso de processos aerbicos (na forma de ar), antiespumante, e cido ou base para controle do pH. Terminada a fermentao, descarrega-se a dorna, e o meio fermentado segue para os tratamentos finais. Ento, deve-se lavar a dorna, esteriliz-la e recarreg-la com mosto e inculo. (SCHMIDELL, 2001, p. 193 - 204) A fermentao descontnua pode levar a baixos rendimentos e/ou produtividades, quando o substrato adicionado de uma s vez no incio da fermentao exerce efeitos de inibio, represso, ou desvia o metabolismo celular a produtos que no interessam. Por outro lado, apresenta menores riscos de contaminao (se comparados com processos contnuos de fermentao) assim como grande flexibilidade de operao,devido ao fato de poder utilizar os fermentadores para diferentes produtos. (SCHMIDELL, 2001, p. 193 - 204) Ademais, o mais utilizado na indstria de alimentos. Alguns dos alimentos e bebidas produzidos por esse processo fermentativo so iogurte, chucrute, picles, cerveja, vinho entre outros. (SCHMIDELL, 2001, p. 193 - 204)

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2.4.2 Fermentao Descontnua Alimentada Vrios processos fermentativos tm sido desenvolvidos em funo de diferentes aplicaes. Um desses, que tem importncia tanto em escala industrial como em nvel de pesquisa, o processo descontnuo alimentado, tambm conhecido como processo por batelada alimentada ou, simplesmente, fermentao descontnua alimentada. (SCHMIDELL, 2001, p. 205 - 218) Basicamente, o processo descontnuo alimentado definido como uma tcnica em processos microbianos, onde um ou mais nutrientes so adicionados ao fermentador durante o cultivo e em que os produtos a permanecem at o final da fermentao. (SCHMIDELL, 2001, p. 205 - 218) Antes de 1940 a maioria dos processos fermentativos envolvia a converso de carboidratos a outros compostos orgnicos simples. Seguindo o sucesso da aplicao das feremntaoes descontinuas alimentadas para produo de levedura, tentou-se a utilizao destas para a produo de glicerol, acetona, butanol, cido ltico e outros materiais, resultando, em muitas ocasies, em um melhor controle do processo de fermentao e mais eficientes utilizaes dos componentes do meio. (SCHMIDELL, 2001, p. 205 - 218) 2.4.3 Fermentao Semicontnua O processo fermentativo recebe a denominao de semicontnuo quando, uma vez colocados no reator o meio de fermentao e o inculo, as operaes que se seguem obedecerem seguinte ordem: (SCHMIDELL, 2001, p. 219 - 222) Operao n 1 Aguarda-se o trmino da fermentao. Operao n 2 Retira-se parte do meio fermentado, mantendo-se, no reator o restante de mosto fermentado. Operao n 3 Adiciona-se ao reator um volume de meio de fermentao igual ao volume de meio fermentado retirado na Operao n 2. O meio de fermentao adicionado na Operao n 3 encontra, no reator as clulas microbianas existentes no meio fermentado que nele foi mantido. Em outras palavras, o meio fermentado no retirado do fermentador na Operao n 2 seve de inculo ao meio de fermentao adicionado na Operao n 3. Reinicia-se, desse

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modo, a seqncia de operaes acima descrita, que ser repetida enquanto no houver queda da produtividade do processo. (SCHMIDELL, 2001, p. 219 - 222) Um processo como o aqui descrito chama-se semicontnuo, porque so intermitentes tanto o fluxo de entrada do meio no reator quanto o de sada de material fermentado. O antigo processo de fabricao de vinagres a partir do vinho, conhecido como processo lento, um exemplo tpico de processo semicontnuo. (SCHMIDELL, 2001, p. 219 - 222) 2.4.3.1 Vantagens

Em que pese o fato de o processo semicontnuo apresentar relativamente poucas aplicaes, seu emprego, principalmente quando o volume de produo relativamente pequeno, pode apresentar algumas vantagens significativas, destacando-se: (SCHMIDELL, 2001, p. 219 - 222)a) possibilidade de operar o fermentador por longos

perodos (s vezes,

alguns meses) sem que seja necessrio preparar um novo inculo;b) possibilidade de aumentar a produtividade do reator apenas modificando

se o cronograma de trabalho;c) possibilidade de, uma vez conhecidas as melhores

condies de

operao, conseguir produtividade significativamente maior do que a obtida em processo descontnuo. 2.4.4 Fermentao Contnua O processo de fermentao contnua caracteriza-se por possuir uma alimentao continua de meio de cultura a uma determinada vazo constante, sendo o volume de reao mantido constante atravs da retirada contnua de caldo fermentado. A manuteno de volume constante de lquido no reator de primordial importncia, a fim de que o sistema atinja a condio de estado estacionrio ou regime permanente, condio na qual as variveis de estado (concentrao de clulas, de substrato limitante e de produto) permanecem constantes ao longo do tempo de operao do sistema. (SCHMIDELL, 2001, p. 223 - 246) De fato, o processo contnuo caracteriza-se fundamentalmente por ser um sistema que pode operar por longos perodos de tempos em estado estacionrio,

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decorrendo desta situao uma srie de vantagens em relao ao processo descontnuo tradicional. (SCHMIDELL, 2001, p. 223 - 246) 2.4.4.1 descontnuo As principais vantagens apresentadas pelo processo contnuo de Vantagens e desvantagens do processo contnuo em relao ao

fermentao, em relao ao descontnuo tradicional, so decorrentes da operao em estado estacionrio, podendo-se destacar: (SCHMIDELL, 2001, p. 223 - 246) - aumento da produtividade do processo, em virtude de uma reduo dos tempos mortos ou no-produtivos; - obteno de caldo fermentado uniforme, o que facilita o projeto das operaes de recuperao do produto de interesse; - possibilidade de associao com outras operaes contnuas na linha de produo; - maior facilidade no emprego de controles avanados; - menor necessidade de mo-de-obra. Entretanto, ao lado das vantagens apontadas, o processo contnuo de fermentao apresenta tambm algumas desvantagens ou problemas prticos, que podem limitar o emprego deste tipo de sistema em escala industrial, para alguns processos fermentativos. Assim, podem-se destacar: - maior investimento inicial na planta; - possibilidade de ocorrncia de mutaes genticas espontneas, resultando na seleo de mutantes menos produtivos; - maior possibilidade de ocorrncia de contaminaes, por se tratar de um sistema essencialmente aberto, necessitando pois, de manuteno de condies de assepsia nos sistemas de alimentao e retirada de meio; - dificuldades de manuteno de homogeneidade no reator, quando se trabalha com baixas vazes. 2.4.4.2 Aplicaes

Apesar dos problemas acima mencionados, a utilizao do processo contnuo de fermentao encontra grande aplicao prtica, podendo-se citar como exemplo

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tpico a fermentao alcolica, onde se utiliza normalmente, em escala industrial, o processo contnuo com reciclo de clulas. Outro importante exemplo de utilizao do processo contnuo em larga escala o tratamento biolgico de resduos, em reatores de fluxo ascendente, empregados para o tratamento de uma grande variedade de efluentes industriais, tais como os oriundos de fbricas de cervejas e refrigerantes, de fbricas de laticnios e de indstrias alimentcias de um modo geral. (SCHMIDELL, 2001, p. 223 - 246) 2.4.5 Fermentao em Estado Slido A fermentao em estado slido pode ser definida como processos que referem-se a cultura de microorganismos sobre ou dentro de partculas em matriz slida (substrato ou material inerte), onde o contedo de lquido (substrato ou meio umidificante) ligado a ela est a um nvel de atividade de gua que, por um lado, assegure o crescimento e metabolismo das clulas e, por outro, no exceda mxima capacidade de ligao da gua com a matriz slida. (SCHMIDELL, 2001, p. 247 - 276)

2.5

BIOQUMICA DA FERMENTAO O metabolismo pode ser definido como o conunto de transformaes qumcas

necessrias para manter as atividades vitais (nutricionais e funcionais) de um organismo. De uma forma simplificada, o metabolismo pode ser dividido em dois tipos: (BARROS, 2002, p. 49 52)

catabolismo ou desassimilao tem como finalidade a produo de

energia, ocorrendo a degradao de substncias mais complexas para formar outras mais simples;

anabolismo ou assimilao utiliza a energia produzida no catabolismo

para a biossntese de molculas mais complexas responsveis pela produo e demais atividades da clula. De um modo geral, os microorganismos so capazes de obter energia para seu desenvolvimento e manuteno a partir de diferentes fontes, como carboidrato,

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protenas e at, em alguns casos, de substncias inorgnicas. Os diferentes microorganismos apresentam semelhanas e diferenas com respeito s suas formas de obteno de energia e formao de produtos de biossntese. (BARROS, 2002, p. 49 52) Como j mencionado, no catabolismo, a clula promove a degradao de um certo composto, como carboidratos, obtendo, nesse processo, a energia necessria para sua manuteno e reproduo. Essa energia armazenada na forma de adenosina trifosfato, ou ATP, que contm trs ons fosfato. Cada vez que um desses ons liberado, formando adenosina difosfato (ADP), h uma concomitante liberao de energia qumica que ser usada pela clula. H, portanto, a necessidade de produo de mais ATP, o que torna necessrio o reincio do ciclo. (BARROS, 2002, p. 49 52) Considere-se um meio de cultura, contendo todos os nutrientes necessrios para um dado microorganismo, com glicose como fonte de carbono e substrato energtico. Inicialmente, ocorrer a degradao da glicose em cido pirvico ou, em sua forma ionizada, piruvato. Essa converso ocorre atravs de uma seqncia de reaes bioqumicas chamada de gliclise ou via glicoltica. A gliclise no a nica via de converso de glicose em piruvato, mas a mais freqente. (BARROS, 2002, p. 49 52) importante mencionar que cada reao da via glicoltica catalisada por uma enzima especfica. Em algumas reaes dessa via, ocorre o consumo de ATP, enquanto em outras possvel a incorporao de um fosfato inorgnico (Pi) numa molcula de ADP para formar ATP. Tem-se, ento, um gasto de 2 ATP e a formao de 4 ATP, com o saldo energtico de 2 ATP. Outro ponto a ressaltar a passagem de 2 moles da coenzima nicotinamida adenina dinucleotdeo de sua forma oxidada (NAD+) para a reduzida (NADH). Isso se d na etapa de oxidao de gliceraldedo-3fosfato a 1,3-difosfoglicerato, em que o NAD+ serve como aceptor de eltrons da reao de oxirreduo. (BARROS, 2002, p. 49 52) Assim, o balano final da via glicoltica o seguinte:

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A partir desse ponto, para que as clulas continuem consumindo glicose e produzindo mais ATP, preciso que o NADH que foi produzido seja reoxidado a NAD+, para uma nova utilizao na via glicoltica. Existem agora, duas alternativas para a continuao do processo, dependendo do microorganismo, da presena de oxignio e/ou das condies do cultivo: a respirao e a fermentao. (BARROS, 2002, p. 49 52) Se o microorganismo for aerbio, ou anaerbio facultativo com ampla disponibilidade de oxignio, as duas molculas de NADH produzidas na via glicoltica serviro como doadoras para o sistema de transporte de eltrons, o que levar regenerao do NAD+ e formao de seis molculas de ATP. O piruvato, por sua vez, ser oxidado a acetil-CoA pelo NAD + com a conseqente formao de duas novas molculas de NADH que, da mesma forma, sero reoxidadas no sistema de transporte de eltrons, sendo sintetizadas, assim, mais seis molculas de ATP. Cada molcula de acetil-CoA, ento, se condensar com uma de cido oxalactico, formando duas molculas de cido ctrico e dando incio a via bioqumica chamada de ciclo do cido ctrico ou de Krebs em que h a formao de uma grande quantidade adicional de energia (24 ATP/mol glicose). No caso, ocorre a degradao completa da glicose, e os produtos finais so dixido de carbono e gua. (BARROS, 2002, p. 49 52) Com microorganismos anaerbios estritos, claro que a respirao no pode ser utilizada, j que para eles o oxignio letal. Nesse caso, a reoxidao do NADH feita pela formao de produtos de fermentao, atravs de vias metablicas, efetuadas a partir do piruvato, dependentes da capacidade de cada espcie microbiana. (BARROS, 2002, p. 49 52) Em microorganismos anaerbios facultativos, a definio do metabolismo predominante respirao ou fermentao vai depender da condio de cultivo com respeito oxigenao do meio. Se houver uma total disponibilidade de oxignio (aerobiose), o microorganismo realizar, preferencialmente, a respirao, visto que o rendimento energtico nessa via , muitas vezes, maior. Na ausncia de oxignio, o microorganismo se comportar como se fosse anaerbio. Finalmente, com o oxignio em quantidade limitada para a populao microbiana, a respirao e a fermentao ocorrero simultaneamente. (BARROS, 2002, p. 49 52) As vias glicoltica citadas acima, via glicoltica e ciclo de Krebs, podem ser melhor visualizadas nas imagens que se encontram em anexo.

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Anexo1. Etapas da via Glicoltica Anexo 2. Ciclo de Krebs. 2.6 EXEMPLOS DE PRODUTOS OBTIDOS POR FERMENTAO

2.6.1 Produo de Etanol A via fermentativa a maneira mais importante para a obteno de lcool etlico no Brasil. Mesmo que venha a haver disponibilidade de derivados de petrleo que permitam a produo de lcool de sntese, a via fermentativa ainda ser de grande importncia para a produo de lcool de boca, sob a forma de aguardentes. Um dos fatores que torna a produo do etanol por fermentao a forma mais econmica de sua obteno, o grande numero de matrias-primas naturais existentes em todo o pas. Na obteno do lcool por via fermentativa, distinguem-se trs fases: o preparo do substrato, a fermentao e a destilao. (LIMA, 2001, p. 1 42) O preparo do substrato o tratamento da matria-prima para dele se extrarem os acares fermentescveis. Difere para as distintas matrias-primas. A fermentao um processo comum a todos os substratos aucarados, cujo principio a transformao dos aucares em etanol e dixido de carbono. As variaes entre os processos de fermentao so apenas em detalhes. Na destilao, separa-se o etanol, geralmente em duas operaes. A primeira para p separar do substrato fermentado, sob a forma de mistura hidroalcolica impurificada com aldedos, steres, alcois superiores e cidos orgnicos. Outra, para separar as impurezas do etanol. (LIMA, 2001, p. 1 42) Diferentes espcies microbianas bactrias e leveduras so capazes de produzir etanol. Industrialmente, entretanto, leveduras anaerbicas facultativas pertencentes ao gnero Saccharomyces , e especialmente, espcie S. cervisiae, so as mais empregadas. (BARROS, 2002, p. 62 64) As leveduras utilizadas no processo de fermentao alcolica no tem a capacidade de metabolizar diretamente polissacardeos como o amido e a celulose. Nesse caso, matrias-primas contendo esse tipo de carboidratos necessitam ser previamente tratadas, a fim de produzir xaropes de substratos simples como a

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glicose. Em alguns pases do hemisfrio norte, o uso de materiais amilceos para a produo de lcool etlico relativamente comum. No Brasil, por outro lado, considerando sua posio geogrfica, o cultivo da cana-de-aucar favorecido e, com isso, o caldo de cana-de-acar ou o melao resultante da produo de acar so as matrias-primas utilizadas. Nessas matrias-primas, a sacarose o principal constituinte, com teores da ordem de 14% a 20% (p/v) no caldo e 60% no melao. Normalmente, na preparao do mosto, so incorporadas fontes de fosfato, como o superfosfato e o nitrognio inorgnico, como o sulfato de amnio, visto que melao e caldo de cana-de-acar so pobres desses nutrientes. (BARROS, 2002, p. 62 64) Hoje em dia, no Brasil, o processo fermentativo de produo de etanol realizado por processo em regimes descontnuo alimentado ou contnuo, a fim de manter baixos teores de substrato e, em decorrncia, aumentando a produtividade em virtude da reduo do tempo de processo. (BARROS, 2002, p. 62 64) 2.6.1.1 Bioqumica da Fermentao Alcolica

A fermentao alcolica a ao de leveduras sobre acares fermentveis contidos em uma soluo/suspenso. um processo biolgico no qual a energia formada por reaes de oxidao parcial pode ser utilizada para o crescimento de leveduras e a oxidao parcial anaerbia da hexose na produo de lcool e CO2. (PORTO, 2005) A transformao do acar em etanol e CO2 envolve 12 reaes em seqncia ordenada, cada qual catalisada por uma enzima especfica, conforme apresentado na Figura 3. Tal aparato enzimtico est confinado no citoplasma celular, sendo, portanto, nessa regio da clula que a fermentao alcolica se processa. (PORTO, 2005) A simplificao se d em trs etapas: (PORTO, 2005) 1- Via aerbia - C6H12O6 respirao CO2+H2O (crescimento celular rpido) 2- Via anaerbia - C6H12O6 fermentao C2H5OH+CO2 (crescimento celular lento) - C6H12O6+2ADP+PO4-3 2C2H5O+ 2CO2+2ATP+H2O.

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Figura 3: Seqncia de reaes enzimticas pela fermentao alcolica de carboidratos endgenos (glicognio e trealose) ou exgenos (sacarose e maltose), conduzida por Saccharomyces cerevisiae (LIMA, 2001).

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O objetivo primordial da levedura, ao metabolizar anaerobicamente o acar, gerar uma forma de energia (ATP, adenosina trifosfato) que ser empregada na realizao dos diversos trabalhos fisiolgicos (absoro, excreo e outros) e biossnteses, necessrias manuteno da vida, crescimento e multiplicao, para perpetuar a espcie. O etanol e o CO2 resultantes se constituem, to somente, de produtos de excreo, sem utilidade metablica para a clula em anaerobiose. Entretanto, o etanol, bem como outros produtos de excreo (como o glicerol e cidos orgnicos) podem ser oxidados metabolicamente, gerando mais ATP e biomassa, mas apenas em condies de aerobiose. (PORTO, 2005) Ao final da fermentao, em regime descontino alimentado, as clulas de levedura so separadas do mosto por centrifugao e submetidas a baixos valores de pH, a fim de eliminar bactrias contaminantes. Esse procedimento permite a reciclagem de cerca de 80% da massa celular para uma nova fermentao. (BARROS, 2002, p. 62 64) O mosto fermentado e isento de clulas, referido como vinho, contendo teores de etanol na ordem de 10% (p/v), encaminhado para seo de tratamento final onde a separao do lcool etlico e de subprodutos feita por destilao, processo trmico baseado nos diferentes pontos de ebulio e presses de vapor de uma mistura de componentes volteis. Dependendo de sua utilizao, o etanol pode ser apresentado em graduaes que vo de 96 graus Gay-Lussac (GL, que corresponde a um percentual volumtrico de etanol em gua) a 99,95GL. (BARROS, 2002, p. 62 64)

2.6.2 Produo de Antibiticos Do grande nmero de antibiticos conhecidos de origem microbiana, somente 123 so produzidos atualmente por fermentao. A penicilina G e a penicilina V so produzidas utilizando processos submersos em fermentadores de 40.000 200.000 litros. A sua fermentao ocorre por um processo aerbico e o inculo se inicia utilizando esporos liofilizados. Tais esporos passam por vrias etapas de crescimento para preparar o cultivo de produo. (LIMA, 2001, p. 101 122) Na fermentao tpica de penicilina h uma fase de crescimento de aproximadamente 40 horas, com um tempo de duplicao de 6 horas, durante o qual

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se forma a maior parte da massa celular. Depois da fase de crescimento, o cultivo chega fase real de produo de penicilina. A penicilina excretada no meio de cultivo e menos de 1% permanece unida ao miclio. Aps a separao do miclio por filtrao, realizado a recuperao do produto por meio de duas etapas de extrao contnua em contracorrente do caldo de fermentao com acetato de amila, de butila ou metil isobutil cetona. O rendimento ao redor de 90%. (LIMA, 2001, p. 101 122) A fermentao das cefalosporinas similar da penicilina. Utilizam-se meios complexos como lquido de macerao de milho, extrato de carne, sacarose, glicose e acetato de amnio. O processo descontnuo alimentado usado nas fermentaes, com adio semicontnua de nutrientes. (LIMA, 2001, p. 101 122) 2.6.3 Produo de Aminocidos Tem-se desenvolvido processos de fermentao para todos os aminocidos, exceto para glicocola, L-cistena e L-cistina, porm nem todos se encontram em nvel comercial de uso. Comercialmente, a produo de aminocidos realizado por processo descontnuo durante 2 4 dias em fermentadores com capacidade de at 450 m3. Ao final do processo utiliza-se centrifugao para separar o material celular. Os aminocidos se obtm mediante precipitao depois da acidificao at o ponto isoeltrico, troca inica, eletrodilise e extrao com solventes orgnicos. (LIMA, 2001, p. 155 176) H uma enorme gama de produtos, alm dos que foram citados acima, com a possibilidade de produo atravs da fermentao industrial. Dentre eles podemos citar: produo de cidos, solventes, vitaminas, polissacridios, esterides, microorganismos, polisteres bacterianos, bioinseticidas, inoculantes agrcolas, vacinas, enzimas, etc. (LIMA, 2001)

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2.

CONCLUSO

O presente trabalho Fermentaes Industriais foi de grande contribuio para meu conhecimento sobre o assunto e tambm muito interessante, uma vez que, trata-se de um assunto da rea de meu interesse que a Biotecnologia Industrial e, que s ser visto em torno de alguns anos no curso. Como idias de trabalhos futuros para aprofundamento no tema referido, sugiro um trabalho que aborde uma fermentao em especfico, como por exemplo, o uso da fermentao para obteno de enzimas. Referente s dificuldades encontradas durante a execuo do trabalho, a principal foi o problema em encontrar bibliografias (principalmente livros) mais recentes sobre o assunto. Encontrei muitos livros antigos, como por exemplo, de 1975, e se tratando de artigos cientficos, os mais recentes j so mais direcionados a estudos especficos de algum tipo de fermentao e, por esse motivo, as referncias deste trabalho so um pouco escassas. Outra dificuldade foi em funo da minha disponibilidade de tempo disponvel, j que atualmente estou fazendo um estgio em um laboratrio bioqumico e, por isso, apenas na parte da noite foi possvel pesquisar e escrever o trabalho.

REFERNCIAS BARROS, N, M; AZEVEDO, J, L; SERAFINI, L, A. Biotecnologia: avanos na agricultura e na agroindstria. Caxias do Sul RS: Editora EDUCS, 2002.

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BORZANI, W; SCHMIDELL, W; LIMA, U; AQUARONE, E. Biotecnologia industrial: Fundamentos. So Paulo: E. Blcher, 2001. 1 v. LEHNINGER, Albert L.; NELSON, David L.; COX, Michael M. Lehninger princpios de bioqumica. 3. ed. So Paulo: Sarvier, 2002. 975 p. LIMA, U; AQUARONE, E; BORZANI, W; SCHMIDELL, W. Biotecnologia industrial: Processos Fermentativos e Enzimticos. So Paulo: E. Blcher, 2001. 3 v. PORTO, L, M. Modelagem de processo industrial de fermentao alcolica contnua com reatores de mistura ligados em srie. Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Qumica - Departamento de Processos Biotecnolgicos: Campinas SP, 2005. RECH, R. Bioengenharia para engenharia qumica. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Instituto de Cincias e Tecnologia de Alimentos : Rio Grande do Sul RS, 2006. Disponvel em: http://www.enq.ufrgs.br/cursos/grad/BioEng/ITA02003%20poligrafo%202006-2%20%20parte%201.pdf. Acesso em: 16 de abril de 2010. SCHMIDELL, W; LIMA, U; AQUARONE, E; BORZANI, W. Biotecnologia industrial: Engenharia Bioqumica. So Paulo: E. Blcher, 2001. 2 v. WARD, O, P. Biotecnologia de la fermentacion. Zaragoza Espanha: Editorial ACRIBIA, S. A., 1991.

ANEXOS Anexo 1. Via Glicoltica.

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Fonte: LEHNINGER, 2002.

ANEXOS Anexo 2. Ciclo de Krebs.

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Fonte: LEHNINGER, 2002.

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