joaobatista/aula6tecnologia.pdf · tipos de microorganismos 2.2 ... substratos de fermentação...

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�� 1. Introdução

1.1. Histórico

1.2. Importância dos processos fermentativos

1.3. Processo fermentativo genérico

2. Microorganismos industriais

2.1. Tipos de microorganismos

2.2. Metabolismo microbiano

2.3. Nutrição microbiana

2.4. Crescimento microbiano

3. Substratos de fermentação

3.1. Fontes de carbono

3.2. Fontes de nitrogênio

4. Fermentadores

4.1. Definição

4.2. Classificação

4.3. Desenho esquemático

5. Processos de fermentação

5.1. Fermentação descontínua ou batelada

5.2. Fermentação descontínua alimentada

5.3. Fermentação semi-contínua

5.4. Fermentação contínua

5.5. Comparação entre processos de fermentação submersa

5.6. Fermentação em meio sólido

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6. Cinética de processos fermentativos

7. Controle de processos fermentativos

8. Recuperação dos produtos de fermentação

8.1. Floculação → flotação e sedimentação

8.2. Centrifugação

8.3. Filtração

8.4. Extração

8.5. Cristalização e precipitação

8.6. Dessecação

8.7. Destilação

8.8. Cromatografia

8.9. Desintegração dos microorganismos

9. Higiene, limpeza e sanitização de equipamentos

9.1. Produtos usados na limpeza e sanitização de equipamentos

9.2. Operações de limpeza e sanitização

10. Principais processos fermentativos

10.1. Fermentação alcoólica

10.2. Biossíntese acética

10.3. Fermentação láctica

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1. INTRODUÇÃO

1.1. Histórico

• Relação microorganismos x homem → evolução de ambos

• Microorganismos → decomposição de alimentos

• Microorganismos → fermentação de alimentos e bebidas

• Vinho e vinagre → 10.000 AC

• Cerveja → 5.000 – 6.000 AC → Egito

• Pão → 4.000 – 7.000 AC → Egito

• Queijo e leite fermentado → 5.000 AC

• Soja fermentada → 3.000 AC → China

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1.2. Importância dos processos fermentativos

Na indústria de alimentos

Produto Microorganismo

Queijo Bactérias e fungos

Iogurtes Bactérias lácticas

Manteiga Bactérias lácticas

Bebidas alcoólicas ocidentais Leveduras alcoólicas

Bebidas alcoólicas orientais Fungos e leveduras

Produtos de panificação Levedura alcoólica

Picles, azeitonas, chucrute Bactérias lácteas

Carnes fermentadas Bactérias lácticas

Vinagre Bactérias acéticas

Café Bactérias lácteas, etc.

Cacau Leveduras e bactérias

Chá Enzimas oxidases

Soja fermentada Fungos, leveduras e bactérias

Leveduras comestíveis Leveduras

Gorduras Leveduras

Desenvolvimento de sabor Fungos

Aromas Fungos

Proteínas unicelulares (SCP) Fungos, leveduras e bactérias

Ensilagem Bactérias lácteas

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Na indústria química, farmacêutica e na agricultura

1. Etanol → carburante, farmacêutico, químico, doméstico

2. Ácidos orgânicos → cítrico, láctico, acético, giberélico, etc.

3. Solventes → acetona, butanol, isopropanol

4. Aminoácidos → glutâmico, lisina, triptofano

5. Nucleotídeos, nucleosídeos e compostos afins

6. Enzimas → amilases, proteases, lipases, pectinases, lactase, glicose

isomerase, renina, etc.

7. Vitaminas → ácido ascórbico, riboflavina, ergosterol, β caroteno, B12

8. Antibióticos → penicilinas, estreptomicina, tetraciclinas, etc.

9. Vacinas → Neisseria, Mycobacterium, Corynebacterium, etc.

10. Alcalóides

11. Gomas → dextrânio

12. Transformações moleculares → esteróides, antibióticos e pesticidas

13. Tratamentos de resíduos agroindústriais, lixo e esgoto

14. Lixiviação

15. Fixadores de nitrogênio do ar em raízes → Rhizobium

16. Controle biológico de pragas → Bacillus

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1.3. Processo fermentativo genérico

PREPARO DO MEIO DE FERMENTAÇÃO

MATÉRIAS PRIMAS

FERMENTAÇÃO

MICROORGANISMOS

TRATAMENTOS FINAIS

SUBPRODUTOS

PRODUTO

RESÍDUOS

TRATAMENTO DE RESÍDUOS

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2. MICROORGANISMOS INDUSTRIAIS

2.1. Tipos de microorganismos

• Bactérias → procariotos, quimioorganotrofos

• Fungos → eucariotos, quimioorganotrofos

• Bolores

• Leveduras

Eucariotos x Procariotos

Características Procariotos Eucariotos

1. Organelas - +

2. Núcleo - +

3. Nº moléculas DNA 1 >1

4. DNA em organelas - +

5. DNA → cromossomo - +

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Aspectos macroscópicos do metabolismo dentro do inter-

relacionamento global dos organismos vivos na biosfera. Fonte:

Lehninger, 1988.

Sol O2

Seres autotróficos

fotossintetizantes

Seres heterotróficos

Produtos orgânicos

CO2

H20

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Metabolismo = Catabolismo + Anabolismo

Fonte: Lehninger, 1988.

Nutrientes liberadores de

energia

Carboidratos Gorduras Proteinas

Macromoléculas

celulares Proteínas

Polissacarídeos Lipídios

Ácidos nucléicos

Catabolism

o Ana

bolis

mo

Energia química

ATP NADPH

Produtos finais pobres em energia

CO2 H2O NH3

Moléculas precursoras

Aminoácidos Açúcares

Ácidos graxos Bases nitrogenadas

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Fonte: Lenninger, 1988.

GLICOSE

2 PIRUVATO

2 ACETIL CoA

4 CO2 + 4 H2O

2 ETANOL + 2 CO2 2 LACTATO

Glicólise

Fermentação Alcoólica Fermentação Láctea

-- O2 -- O2

O2 2 CO2

Ciclo de Krebs e

Cadeia respiratória

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FERMENTAÇÃO

Mecanismo anaeróbio de produção

de energia que não envolve cadeia

respiratória ou citocromos.

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Fonte de energia dos organismos fermentadores

Quimiorganotróficos → obtém energia de reações químicas

Fonte de carbono → energia x esqueleto carbônico

Carboidratos → açúcares e polissacarídeos

Aminoácidos, protídeos e proteínas

Ácidos monocarboxílicos

Lipídios

Álcoois

Fonte de nitrogênio → síntese material plástico

Orgânico → Aminoácidos, protídeos, proteína

Inorgânico → sais de amônio, (nitratos e nitritos)

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Sais minerais

Macronutrientes

P → ATP e ácidos nucleicos

S → aminoácidos / proteínas

K → ativador enzimático, regulador da pressão osmótica

Mg → cofator enzimático

Ca → cofator enzimático

Micronutrientes → Cu, Co, Zn, Mn, Na, Bo, etc.

Fatores de crescimento

Vitaminas

Aminoácidos

Nucleotídeos

Ácidos graxos

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Água

Não é considerada nutriente

Solvente universal → nutrição celular e reações enzimáticas

Regulação da pressão osmótica

Regulação térmica → alto calor específico

Oxigênio atmosférico

Não é considerado nutriente

Receptor de elétrons na respiração

Aeróbios

Microaerófilos

Anaeróbios

Facultativos

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2.4. Crescimento microbiano

Reprodução

Bactérias →→→→ fissão binária (sexuada ou assexuada)

Leveduras →→→→ brotamento ou gemulação (assexuada)

fissão binária (assexuada)

esporulação (sexuada)

Fungos →→→→ esporulação (sexuada ou assexuada)

Modelo matemático da reprodução

População inicial = uma célula →→→→ b = 1 . 2n

População inicial = B células →→→→ b = B . 2n

Número de gerações após o crescimento →→→→ n = 3,3 . log b / B

Tempo de geração = t / n →→→→ t / 3,3 . log b / B

Curva de crescimento

Log N

Tempo

1

2

3

4

1. Lag

2. Log

3. Estacionária

4. Declínio

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�� 3 SUBSTRATOS DE FERMENTAÇÃO

3.1. Fontes de carbono

3.1.1. Carboidratos

Cana de açúcar, sorgo sacarino, etc.

Frutas →→→→ uva, laranja, jabuticaba, etc.

Malte →→→→ cevada, trigo, milho, etc.

Melaço →→→→ subproduto da fabricação do açúcar

Licor sulfítico →→→→ subproduto da fabricação do papel

Lígno-celulósicos →→→→ palha, bagaço cana, resíduos madeira

Carboidratos puros →→→→ açúcares e amidos →→→→ preços elevados

3.1.2. Óleos vegetais →→→→ soja, algodão, palma →→→→ co-substratos

3.1.3. Álcoois →→→→ etanol, metanol

3.1.4. Alcanos →→→→ C12 – C14

3.2. Fontes de nitrogênio

3.2.1. Inorgânico →→→→ amônia e sais de amônio

3.2.2. Orgânica

Líquido de maceração de milho →→→→ subproduto →→→→ amido

Farinha de soja →→→→ subproduto da fabricação de óleo

Extrato de levedura →→→→ preço elevado

Peptonas →→→→ preço elevado

Uréia →→→→ adubo

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�� 4. FERMENTADORES

4.1. Definição

Recipiente onde ocorre a fermentação

4.2. Classificação

4.1.1. Quanto à natureza do meio de fermentação

De fermentação submersa →→→→ meio líquido

De fermentação superficial →→→→ meio sólido

4.1.2. Quanto à forma espacial

Cilíndrico →→→→ meio líquido e sólido

Paralelepípedo →→→→ meio líquido e sólido

4.1.3. Quanto ao fechamento

Aberto

Fechado

4.1.3. Quanto ao material de construção

Madeira

Alvenaria

Aço carbono

Aço inoxidável

Aço carbono revestido →→→→ aço inox, borracha, esmalte, plástico,

resinas

Plásticos e resinas

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4.3. Desenho esquemático de fermentador de cultivo submerso

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4.3. Desenho esquemático de fermentadores de cultivo superficial

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5. PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO

5.1. Fermentação descontínua ou batelada

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5.2. Fermentação descontínua alimentada

Tempo

P

X

S

P = Produto

X = Célula

S = Substrato

C

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5.3. Fermentação semi-contínua

Tempo

C X

P

S

X = Célula

P = Produto

S = Substrato

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5.4. Fermentação contínua

C

Tempo

X

P

S

X = Célula

P = Produto

S = Substrato

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Microorganismos utilizados

Bactérias → crescem em substratos com elevada atividade de água

Bacillus thuringiensis → bioinseticidas

Zymomonas mobilis → etanol

Acetobacter aceti → vinagre pelo processo alemão

Levedura → crescem em substratos com atividade de água moderada

Saccharomyces cerevisiae → etanol

C

D

S X

T P X = Célula

P = Produto

S = Substrato

T = Tempo geração

D = F / V

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�� Bolores → crescem em substratos com baixa atividade de água

Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, etc. → enzimas, SCP

Mucor e Rhizopus → renina

Penicillium → antibióticos

Fusarium e Giberella → ácido giberélico


Meios

Meio sólido → fonte de nutriente → farelos, grãos, farinhas

Meio sólido → inerte → sabugo de milho, bagaço de cana

→ fonte de nutriente → meio de cultura líquido

Características importantes do meio sólido

Porosidade → fluxos de massa e energia → O2 / CO2 / calor

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�� Tamanho da partícula → superfície específica → produtividade

circulação de ar e dissipação de gases e calor

Formato da partícula → superfície específica, porosidade

Altura da camada do meio

produção e remoção de calor

aeração e remoção de CO2 e outros gases

compactação do meio → porosidade


Controle do processo

• Umidade

película de água sobre a superfície da partícula → difusão nutri.

teor mínimo → 12% → FMS → 15 – 85%

interfere no crescimento do microrganismo de processo

interfere no crescimento de bactérias contaminantes

• Atividade de água (Aw)

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�� água não ligada ao substrato e disponível ao microorganismo

fungos → Aw ≥ 0,7

leveduras → Aw ≥ 0,8

bactérias → Aw ≥ 0,9

• Temperatura

microorganismos → psicrófilos, mesófilos, termófilos

remoção de calor produzido na fermentação

injeção ar frio no meio de cultivo

reator encamisado

controle da temperatura da sala de fermentação


Controle do processo

• pH

difícil controle devido à natureza do meio de cultivo

meios → boa capacidade tamponante

uso de solução tampão → umidificação do substrato

• Agitação → velocidade e freqüência

homogeneização → inóculo, umidade, ar, temperatura substrato

100*Págua

PsubstratoAw =

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�� fragmentação do micélio → crescimento e formação de esporo

• Aeração

microorganismos → anaeróbios, aeróbios, facultativos

ar → fluxo de massa (O2 / CO2) e energia

fluxo de ar → espessura da camada de substrato

• Estimativa de crescimento

medida direta → muito difícil → interação micélio / meio

medida indireta → proteína, ATP, CO2, O2

• Nutrientes

• Características do substrato

6. CONTROLE DE PROCESSOS FERMENTATIVOS

6.1. Monitoramento de parâmetros físicos, químicos e biológicos

6.1.1. Parâmetros físicos

Tempo

Temperatura

Atividade de água

Pressão

Vazão de líquidos

Vazão de gases

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�� Velocidade de agitação

6.1.2. Parâmetros químicos

pH e acidez

Sólidos solúveis (°Brix)

O2 dissolvido

O2 na fase gasosa

CO2 na fase gasosa

6.1.3. Parâmetros biológicos

Medidas de crescimento → biomassa

Medida de contaminação

6.2. Controle de processos fermentativos

ATUADOR

FERMENTADOR CONTROLADOR

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7. RECUPERAÇÃO DOS PRODUTOS DE FERMENTAÇÃO

Recuperação → separação, purificação e concentração

7.1. Localização dos produtos de fermentação

1. Intracelular → ácidos nucleicos, vitaminas, enzimas,

antibióticos;

2. Extracelular → AA, ácidos orgânicos, álcoois, enzimas,

antibióticos;

SENSOR

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�� 3. Intra e extracelular → antibióticos e vitaminas

7.2. Operaçõres unitárias usadas na recuperação de produtos

7.2.1. Floculação → flotação e sedimentação

7.2.2. Filtração profunda ou convencional → separação de micélios de

fungos e de actinomicetos;

7.2.3. Filtração absoluta em membrana ou tangencial

Microfiltração → 0,1 - 10 µm → bactérias e leveduras

Ultrafiltração → 0,001 - 0,1 µm → PM > 1000 → macromolécula

Osmose reversa → 0,0001 – 0,001 µm → PM < 1000 → solutos

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�� 7.2.4. Centrifugação

Sistema líquido / sólido → separação de células

Sistema líquido / líquido → separação de solvente

7.2.5. Extração → solventes → alguns antibióticos

7.2.6. Destilação → ponto de ebulição → etanol

7.2.7. Cristalização

7.2.8. Desidratação

Uso do calor → produto sem vida → levedura seca

Liofilização → produto vivo → inóculos

8. HIGIENE, LIMPEZA E SANITIZAÇÃO DE EQUIPAMENTOS

Higiene → preservação da saúde e prevenção das doenças →

Limpeza → remoção de sujidades

Sanitização → manutenção das condições de higiene

Contaminações da fermentação

• desvio de uso do substrato → queda de rendimento fermentativo

• produção de substâncias indesejáveis → queda de produtividade

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�� • modificação das condições de fermentação

• decomposição do produto de fermentação


Água

Ação mecânica → “varre” a superfície do equipamento

→ remoção partículas em suspensão ou solução

Ação química → solubiliza detergentes e sanitizadores


Detergentes

função → facilitar a remoção de sujidades

molhagem → redução da tensão superficial da água

penetração → em poros, orifícios e fissuras da sujidade

saponificação de gordura → formação de sabão

emulsificação de gordura → formação de colóides solúveis

peptização de proteínas → formação de colóides solúveis

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�� destruição de microorganismos

Tipos de detergentes

Alcalinos → removem proteínas

→ boa capacidade emulsificante

soda cáustica →NaOH

soda → Na2CO3

borax → tetraborato de sódio


Tipos de detergentes

Ácidos minerais → remoção de crostas endurecidas (pedras)

corrosivos e perigosos

ácido clorídrico → HCl

ácido nítrico → HNO3

ácido fosfórico → H3PO4

Ácidos orgânicos → menos corrosivos e perigosos

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�� ácido acético

ácido cítrico

ácido lático

Detergentes surfactantes → removem gorduras

produtos umectantes e de penetração

aniônicos → sulfonatos

catiônicos → amônio quaternário

não iônicos


Sanitizantes

Antissépticos → previne / interrompe crescimento microbiano

Bactericida → elimina bactérias

Bacteriostático → inibe crescimento de bactérias

Fungicida → elimina fungos

Fungistático → inibe crescimento de fungos

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�� Desinfetante → elimina germes sobre superfícies

Germicida → elimina flora banal e patogênica

Cloro → Bactericida de largo espectro

→ Efetivo contra esporos, fungos e bacteriófagos

Iodo → Bactericida

Amônio quaternário → Bactericida

Compostos fenólicos → Fungicida

Agentes ácidos → ácido propiônico, sórbico, benzóico e SO2

Atuação sobre fungos, leveduras e bactérias

8.2. Operações de limpeza e sanitização

Pré-lavagem

Produto → água (fria, morna, quente) ou vapor

Função → dissolver resíduo de superfície

Técnica → imersão → água

→ pressão → jato d’água ou vapor (CIP)

Aplicação do detergente

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�� Produto → água e detergente

Função → remoção de sujidades

Técnica → CIP

Aplicação do sanitizante

Produto → água e sanitizante

Função → eliminação microorganismos → superfície equipa/.

Técnica → CIP

Rinçagem ou lavagem final

Produto → água

Função → remover resíduos de detergente ou sanitizante

Tecnica → CIP

9. Principais processos fermentativos

9.1. Fermentação alcoólica

9.1.1. Microbiologia

• Leveduras →→→→ Saccharomyces →→→→ S. cerevisiae

• Bactérias →→→→ Zymomonas →→→→ Z. mobilis

9.1.2. Bioquímica

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�� C6H12O6 →→→→ 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP + calor

180 g 2 * 46 = 92 g RT = 51,11%

C6H12O6 + 6 O2 →→→→ 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP + calor

9.1.3. Matérias primas

• Fonte de carboidratos → açúcar, amido, celulose, inulina, etc.

9.1.4. Principais produtos

• Bebidas alcoólicas → fermentadas, destiladas, retificadas, mist.

• Etanol carburante → álcool anidro e álcool hidratado

9.2. Fermentação láctica


• Lactobacillus, Leuconostoc, Pediococcus, Streptococcus

9.2.2. Bioquímica

C6H12O6 →→→→ 2 CH3CHOHCOOH + 2 ATP

180 2 * 90 = 180 RT = 100%

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• Origem animal →→→→ leite →→→→ lactose

• Origem vegetal →→→→ hortaliças →→→→ glicose, frutose, sacarose, etc.


• Origem animal →→→→ leites fermentados (iogurtes), queijos, etc.

• Origem vegetal →→→→ chucrute, picles, azeitona

9.3. Biossíntese acética


• Acetobacter → matérias primas alcoólicas

• Saccharomyces e Acetobacter → matérias primas açucaradas

9.3.2. Bioquímica

C2H5OH + O2 →→→→ C2H3OOH + H2O

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�� 46 60 RT = 130%


• Alcoólicas →→→→ vinho de uva e de outras frutas, álcool, etc.

• Açucaradas →→→→ mosto de uva, de frutas, de cana, etc.


• Vinagre

• Ácido acético

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�� Perguntas para o estudo orientado

I - INTRODUÇÃO

1. Desde há quanto tempo o homem conhece os processos fermentativos?

2. Na sua opinião, os microorganismos são benéficos ou maléficos à humanidade? Justifique.

3. Na sua opinião, quais são os principais processos fermentativos? Justifique.

4. Descreva um processo fermentativo genérico através de fluxograma de blocos.

I - MICROORGANISMOS INDUSTRIAIS

5. Quais os principais grupos de microorganismos industriais que você conhece?

6. Descreva as principais características celulares de cada grupo.

II - METABOLISMO MICROBIANO

7. Defina metabolismo, catabolismo e anabolismo.

8. Defina fermentação.

9. Faça um mapa metabólico único e sintético da glicólise, fermentação alcoólica,

fermentação láctica e respiração.

III - NUTRIÇÃO MICROBIANA

10. Quais são as principais fontes de carbono e nitrogênio para os microorganismos

fermentativos? Cite as funções metabólicas das fontes de C e N.

11. Explique as principais funções metabólicas da água, oxigênio, minerais e vitaminas nos

microorganismos fermentativos.

III - CRESCIMENTO MICROBIANO

12. De que forma as bactérias se reproduzem?

13. Idem para as leveduras.

14. Idem para os bolores

15. Qual a fórmula matemática que expressa o crescimento microbiano?

16. Num gráfico, faça a curva de crescimento de um microorganismo genérico. Explique.

IV - MEIOS DE FERMENTAÇÃO

17. Quais são as principais matérias primas usadas no preparo dos meios de fermentação?

18. Quais devem ser os atributos dessas matérias primas?

IV – FERMENTADOR (EQUIPAMENTO)

19. Defina fermentador.

20. Quais as formas e os tamanhos dos fermentadores?

21. De que materiais são construídos os fermentadores?

22. Faça um desenho esquemático de um fermentador de meio líquido.

23. Idem para meio sólido.

V - PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO

24. Defina processo de fermentação descontínuo. Faça um desenho esquemático e um gráfico

cinético deste processo.

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�� 25. Idem para descontínuo alimentado.

26. Idem para semi-contínuo.

27. Idem para contínuo.

28. Comparar um processo contínuo com outro descontínuo.

VI - CONTROLE DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS

29. Quais os principais parâmetros físicos, químicos e biológicos que devem ser controlados

nos processos fermentativos? Explique sucintamente a importância de cada um deles.

VI - RECUPERAÇÃO DOS PRODUTOS DE FERMENTAÇÃO

30. Cite os principais produtos de fermentação que você conhece.

31. Cite as principais operações unitárias usadas na recuperação dos produtos de

fermentação. Explique o princípio de funcionamento de cada uma.

VII - HIGIENE, LIMPEZA E SANITIZAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS DE FERMENTAÇÃO

32. Defina higiene.

33. Defina limpeza.

34. Defina sanitização.

35. Cite os principais produtos de limpeza usados nos processos fermentativos.

36. Idem para os produtos sanitizantes.

37. Quais as fases de um processo de limpeza e sanitização de equipamentos de

fermentação.

VIII - PRINCIPAIS PROCESSOS FERMENTATIVOS

38. Faça um mapa metabólico sintético da fermentação alcoólica, mostrando os pontos de

consumo e produção de ATP. Calcule o seu rendimento teórico.

39. Idem para fermentação láctica.

40. Idem para a fermentação acética.

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