produção de biomassa

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Introdu Introdu ç ç ão ão Aplicações – Processo – Microrganismos – Quantificação celular Produção de Biomassa Produção de Biomassa C n (H 2 O) n + O 2 + NH 3 + P, S, K, Na, Mg, Ca, Fe Substrato Oxigênio Amônia Sais Minerais (CHNO) n + CO 2 + H 2 O + H Biomassa Dióxido de Água Calor de reação carbono São convertidos por multiplicação celular em:

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IntroduIntroduççãoão – Aplicações – Processo – Microrganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Produção de Biomassa

Cn(H2O)n + O2 + NH3 + P, S, K, Na, Mg, Ca, FeSubstrato Oxigênio Amônia Sais Minerais

(CHNO)n + CO2 + H2O + ∆HBiomassa Dióxido de Água Calor de reação

carbono

São convertidos por multiplicação celular em:

Produção de Biomassa

4-104-104-10Cinzas

2-105-1515-25Ac. Nucléicos

5-105-105-10Lipídios40-5530-456-15Glicídios

25-4035-4550-60Proteínas

FungosLevedurasBactérias

% em peso secoComposto

• Composição química de microrganismos

IntroduIntroduççãoão – Aplicações – Processo – Microrganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Vantagens:Tempo de geração curto

Bactérias: 30 min a 2 hLeveduras: 1 a 3 hAlgas: 2 a 6 hFungos filamentosos: 4 a 12 h

Elevado teor de vitaminasAlto conteúdo protéicoVariedade de fonte de carbono utilizadaFacilidade em realizar alterações genéticasInstalaçõesIndepende de fatores climáticos

IntroduIntroduççãoão – Aplicações – Processo – Microrganismos – Quantificação celular

Introdução – AplicaAplicaççõesões – Processo – Microrganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Proteína para alimentação humana ou animal;• Indústria de alimentos (ex. fermento);• Remédios;

Introdução – Aplicações – ProcessoProcesso – Microrganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Etapas do processo

Hoechst/Uhde – SCP – processo em metanol

Introdução – Aplicações – ProcessoProcesso – Microrganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Etapas do processo:Cultivo do microrganismo

EsterilizaçãoAeraçãoEquipamentoForma de Condução

Recuperação da BiomassaCentrifugação (Leveduras e Bactérias)Filtros rotatórios (Fungos Filamentosos)SecagemQuebra da parede celular (para SCP)

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Características básicas:

Não ser patogênico

Valor nutritivo (para SCP)

Não formar compostos tóxicos

Baixo custo de produçãoVelocidade de crescimentoConteúdo protéicoSuplementação de nutrientesMeio de culturaSeparação e secagem

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Bactérias:

Alta velocidade de crescimento

Extensa variedade de fontes de carbono

Conteúdo protéico alto

Perfil de aminoácidos bom; ricas em cistina e metionina

Recuperação da biomassa

Conteúdo de ácidos nucléicos elevado

Possibilidade de produção de endotoxinas (Gram -)

Gêneros: Bacillus, Hydrogenomas, Methanomonas, Methylomonas, Pseudomonas

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Bactérias:

Substratos: hidrocarbonetos, Metanol

Processos

Chia Yee Solvent Works (Taiwan, 1963)

Pseudomonas; Substrato: Hidrocarbonetos parafínicos; T = 36-38ºC; pH = 7,0; Em contínuo: células com 73,6% de proteína; Separação em centrifuga, secagem em tambor; remoção de óleo com solvente; moagem em moinho

Esso Research and Engineering Co. (1968)

Pseudomonas; Substrato: Hidrocarbonetos purificados (retirada dos aromáticos); T = 25-40ºC; Separação por centrifugação, decantadores ou filtros; secagem em spray-drying;

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Fungos Filamentosos:

Alta conteúdo protéico

Perfil de aminoácidos bom; baixo aas sulfidrilados

Os cogumelos constituem um dos mais antigos alimentos humanos

Gêneros Fusarium e Rhizopusem cultivos submersos foram usados como alimento humano durante a 2ª guerra mundial

Mycoprotein: aprovado pelo governo inglês para consumo humano

Alto conteúdo de ácidos nucléicos

Alguns produzem compostos tóxicos

Crescimento mais lento que leveduras e bactérias

Matéria-prima amilácea(mais cara)

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Algas:

Algas têm sido usadas como alimento humano desde tempos imemoriais

Baixo custo de produção

Alto conteúdo protéico

Alta digestibilidade

Teor balanceado de aminoácidos

Alto teor de vitaminas (tiamina, riboflavina, cobalamina) e carotenóides

Gêneros: Chlorella, Scenedesmus e Spirulina

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Algas:

Meio de cultivo (quimioautotrófico ou fotoautotrófico)

Água do mar

Lagos salinos

Águas oriundas de sistemas de tratamento de efluentes

Meio de cultivo sintético (NaHCO3; K2HPO4; NaNO3; NaCl; MgSO4.7H2O; FeSO4.7H2O; K2SO4; CaCl2.2H2O; solução de micronutrientes)

Não precisa esterilizar e sem controle de temperatura

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Algas:

Processo de produção

Batelada simples em lagos abertos

Quantidade de iluminação – profundidade 20 a 30 cm

Typical Commercial Microalgae Production Facility, Kona, Hawaii.

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Algas:

Recuperação

Centrifugação/Coagulação (baixa densidade celular)

Filtração rotativa

Secagem (Baixa pressão, “spray drying”, ao sol, secagem em camadas de areia)

Produção de Biomassa

• Algas:

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Leveduras

Alta velocidade de crescimento

pH 3.5 a 5.0: evita contaminação

Facilidade de recuperação por centrifugação

Perfil de aminoácidos bom

Alto conteúdo vitamínico e complexo B

Rendimentos elevados

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Leveduras

Melaço é a principal matéria-prima para a produção de leveduras tais como S. cerevisiae e C. utilis

É um subproduto da produção do açúcar de cana e beterraba

O melaço apresenta K, Mg, P, Zn, Fe, Cu, além de vitaminas (biotina, ác. pantotenico, inositol, tiamina) e aminoácidos (asparagina, ác. aspártico, alanina, ácido glutâmico e glicina)

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Leveduras de panificação

São empregadas linhagens selecionadas de S. cerevisiae em função:

Características fisiológicas estáveis

Fermentação vigorosa do açúcar na massa

Crescimento rápido

Manutenção de boa qualidade sem

autólise

Alto rendimento no fermentador

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Leveduras de panificação

Processo em múltiplos estágio

Aeróbio

Batelada alimentada

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Leveduras de panificação

Preparo do mosto:

Melaço é diluído ([açúcar]i = 0,5 a 1,5 %p/v)

Acidulado (pH 4,5 a 5,0)

Aquecido

Clarificado por filtração ou sedimentação

Esterilizado (vapor sob pressão)

Fortificado (sais de amônio, uréia sais de fósforo ou ác. fosfórico, vitaminas) e retirada de SO3 (aeração em temperatura alta)

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Leveduras de panificação

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Leveduras de panificação

Levedura prensadaAdição de emulsificantes (óleos vegetais) para dar

consistência desejada e adição de álcoois (etílico, propílico, isopropílico) ou amido de cereal para proteção contra contaminações

68-72% de umidade; 27-30% sólidos; 50-56% proteína, 8-9% N, 1-1,4% P

Refrigeração (0-4ºC)

Levedura seca ativa8% de umidadeCélulas são secas em condições controladas de T e

umidade de modo que as enzimas não sejam deterioradas

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Levedura alimentar

S. cerevisiae e C. utilis são propagadas em diferentes substratos e comercializadas como fonte de proteínas e vitaminas do complexo B para suplementação humana ou rações animais

As leveduras resultantes dos processos exclusivamente destinados a sua propagação são denominados leveduras 1as, enquanto que as obtidas como subprodutos de outra indústria são denominadas leveduras 2as (recuperadas de cervejarias e destilarias)

Componentes da levedura forrageiraProteína > 45%Gordura – 2%Fibras – 2%Cinzas – 7-8%

Ca – 0,1 -0,5%P – 1,5%Tiamina – 6 a 100 mg/kgRiboflavina – 10 a 50 mg/kg

Produção de Biomassa

• Levedura Alimentar

Obtenção de levedura secundária

Introdução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

Produção de Biomassa

• Levedura Alimentar

Obtenção de leveduras secas em uma destilaria

Produção de BiomassaIntrodução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

• Levedura Alimentar

Produção de BiomassaIntrodução – Aplicações – Processo – MicrorganismosMicrorganismos – Quantificação celular

• Levedura Alimentar

Métodos Diretos• Determinação do número de

célulasContagem ao microscópio;Contagem de colônias formadas;Número mais provávelContagem eletrônica (Contador

Coulter, Citometria de fluxo)

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

• Determinação da biomassamicrobiana

Peso Seco;Turbidimetria;Volume de Centrifugado;Viscosidade

Métodos Indiretos• Constituintes celulares

Concentração total de N ou C;ATP;DNA, RNA;Conteúdo protéico;

• Dosagem de elementos do meio de cultura

Substrato;Consumo de O2;Produção de CO2;

Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

Métodos Diretos • Determinação do número de célulasContagem ao microscópio;

Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

Métodos Diretos

Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

• Determinação do número de célulasContagem ao microscópio;

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

Métodos Diretos

Contagens de colônias formadas;

• Determinação do número de células

Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

Métodos Diretos

Contagens de colônias

formadas;

• Determinação do número de células

Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

Métodos Diretos

Número mais provável (NMP);

• Determinação do número de células

Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

Métodos DiretosContagem eletrônica.

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

Contador Automático de Células - Coulter

• Determinação do número de células

Citômetro de Fluxo

Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

Métodos DiretosContagem eletrônica – Citometria de Fluxo.

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

• Determinação do número de células

Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

Métodos DiretosContagem eletrônica – Processamento Digital de imagens (PDI).

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

• Determinação do número de células

Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

Métodos Diretos • Determinação da biomassa microbiana

Matéria seca; Turbidimetria ou espectrofotometria.

Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

Métodos Diretos

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

• Determinação da biomassa microbiana

Volume de Centrifugado; Viscosidade

Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

Métodos Indiretos • Constituintes celulares

Concentração total de N ou C;ATP;DNA;Conteúdo protéico;

ProduProduçção de Biomassaão de BiomassaIntrodução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

0,01-0,10,01-0,10,01-0,1Na, Fe0,1-0,50,1-0,50,1-0,5K, Ca

0,4-4,50,8-2,62-3P0,1-0,50,01-0,030,2-1S

0,1-0,30,1-0,50,1-0,5Mg

traçostraçostraçosOutros

4-76-8,510-14N202020O101010H

45-5546-5246-52C

FungosLevedurasBactérias

% em peso secoComposto

Composição elementar

Métodos Indiretos• Constituintes celulares

Concentração total de N ou C;ATP;DNA, RNA;Conteúdo protéico;

ProduProduçção de Biomassaão de BiomassaIntrodução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

Métodos Indiretos • Dosagem de elementos do meio de cultura

Substrato;

Introdução - QuantificaQuantificaçção celularão celular –

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

- Cn(H2O)n - YsoO2 - YsnNH3 – Yss1S1 + YsxX + YscCO2 + Ysp1

P1 + YswH2O = 0

X = CHaObNcSdPe; S. cerevisiae: CH1.6O0,40N0,22P0,02

Consumo de O2;Produção de CO2;

- Cn(H2O)n - YsoO2 - YsnNH3 – Yss1S1 + YsxX + YscCO2 + Ysp1

P1 + YswH2O = 0

Métodos Indiretos • Dosagem de elementos do meio de cultura

Consumo de O2;Produção de CO2;

Introdução - QuantificaQuantificaçção celularão celular –

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

• Fase lagRearranjo do sistema enzimático (síntese

de enzimas);

XocteX ==

• Fase intermediáriaAumento gradativo da concentração celular

Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

• Fase log ou exponencialCélulas plenamente adaptadas;

Velocidades de crescimento elevadas;

Consumo de substrato;

• Fase de redução de velocidadeDiminuição da concentração de substrato limitante;

Acúmulo de produto(s) no meio

Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

ProduProduçção de Biomassaão de Biomassa

• Fase estacionáriaTérmino do substrato limitante;

Acúmulo de produtos tóxicos;

Concentração celular constante em seu

valor máximo.

• Fase de declínioRedução do crescimento celular;

Consumo de material intracelular (lise).

Introdução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular

ProduProduçção de Biomassaão de BiomassaIntrodução – Aplicações – Processo – Microrganismos – QuantificaQuantificaçção celularão celular