Respostas - Exercícios - fermentação alcoólica

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EXERCÍCIOS DE TECNOLOGIA DE PROCESSOS FERMENTATIVOS - ESTUDO DIRIGIDO – PARTE 1. 
 
1. O que são Biocatalisadores? E como eles atuam nas reações? 
 
Um biocatalisador é um catalisador das reações bioquímicas dos seres vivos. São considerados 
biocatalisadores as enzimas, os hormônios e as vitaminas. Um biocatalisador atua na redução ou um aumento 
da energia de ativação de uma reação química, afetando a velocidade de uma reação, mas emergindo do 
processo inalterada. 
2. Quais as diferentes formas de obtenção do microrganismo? Descreva-as. 
- Isolamento a partir de recursos naturais: tais como solo, água, plantas, etc. Trata-se de uma atividade 
cara, com grande trabalho experimental, por outro lado pode-se levar a descobertas de novos microrganismos; 
Ex.: produção de antibióticos e enzimas, mantêm programas de isolamento de linhagens de recursos naturais. 
- Compra em Coleções de Culturas: é um procedimento bastante viável e muito utilizado nas indústrias, em 
vários países; Ex.: Fundação Tropical André Tosello, em Campinas-SP. Esses microrganismos são listados 
em manuais que contem informações sobre a origem, condições de manutenção estoque e de cultivo, 
nutrientes específicos ou limitantes, pH, temperatura e outros. 
- Obtenção de mutantes naturais: Ao longo da proliferação e crescimento de microrganismos, pode ocorrer 
a possibilidade de surgimento de mutantes naturais, os quais podem ser isolados, objetivando a potencialidade 
de sua produção; Ex.: Na produção de etanol, principalmente em sistema contínuo. 
- Obtenção de mutantes induzidos por métodos convencionais: Existem métodos de indução da produção 
de microrganismos mutantes. Ao se permitir essa exposição ou contato, ocorre uma drástica destruição da 
maioria das células, Ex.: Submeter células ou esporos a radiação ultravioleta ou a substâncias químicas 
mutagênicas (nitrosoguanidina). Ex.: Resultado: Essa fusão híbrida resultou em uma levedura com 
características de alto rendimento em etanol (S. cerevisae) e habilidade floculante da levedura (S. bayanus). 
 
3. Quais as características necessárias de microrganismos para aplicação industriais? 
- Apresentar elevada eficiência na conversão do substrato em produto; (Pois as matérias-primas 
incidem em torno de 38-73% no custo do produto final, em particular a fonte orgânica de carbono.) 
- Permitir o acúmulo do produto no meio, de forma a se ter elevada concentração do produto no 
caldo fermentado; (É desejável que o microrganismo, não sofra inibição acentuada em virtude do 
acúmulo de produto.) 
- Não produzir substâncias incompatíveis com o produto; (Pois isto pode levar a uma situação de 
desinteresse pelo processo produtivo, pois estas substâncias produzidas consomem substrato e ainda 
podem dificultar a síntese do produto de interesse.) 
- Apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico; (Que o microrganismo mantenha ao 
longo de todo o processo suas características sem que ocorra mutações.) 
- Não ser patogênico; (Caso se manuseasse microrganismos patogênicos, os cuidados seriam maiores, 
principalmente com gases efluentes.) 
- Não exigir condições de processo muito complexas; 
- Não exigir meios de cultura dispendiosos; (Ex.: Produção de vacinas, utiliza-se meios de culturas 
bastante complexos e onerosos.) 
- Microrganismos que produza pouca espuma. (A espuma é gerada pela excreção de proteínas 
juntamente com o produto desejado.) 
 
4. O que é meio de cultivo? E quais são as características desejáveis do meio de cultivo? 
- Meios de cultura são composições de substâncias que fornecem nutrientes necessários para o 
desenvolvimento de microrganismos. Sendo favorecido o crescimento, é possível a identificação desses 
organismos através das suas atividades bioquímica e metabólica. 
- Ser o mais barato possível; Atender às necessidades nutricionais do microrganismo; Auxiliar no 
controle do processo, evitando variações drásticas de pH, ou evitar uma excessiva formação de espuma; 
Não provocar problemas na recuperação do produto; Os componentes devem permitir algum tempo de 
armazenagem, a fim de estarem disponíveis todo o tempo; Ter composição razoavelmente fixa; Não 
causar dificuldades no tratamento final do efluente. 
 
 
 
5. Como pode ser eliminada ou minimizada a fase lag? 
inóculos sucessivos e V inóculo crescentes. 
V inóculo --> (5 a 10%) do volume de meio a ser fermentado. 
 - A presença de uma % elevada de células não-viáveis no inóculo, um meio de cultura contendo um nutriente 
essencial difícil de metabolizar ou a incubação em condições ambientais de stresse a que o organismo não se 
encontra adaptado, conduzem normalmente a fases de latência extensas. 
 
6. Diferencie as medidas de crescimento microbiano. E descreva pelo menos dois métodos diretos e 
dois métodos indiretos. 
- Métodos Diretos: Determinação da população total e/ou do número de células viáveis. 
- 1 - Câmara de Neubauer: A suspensão celular, colocada em uma câmara de volume conhecido é 
observada no microscópio óptico. Aplicável a meios de cultura sem outras partículas suspensas; Pode-se 
usar corantes para se distinguir entre células vivas e mortas, como azul de metileno (células totais e 
células viáveis); 
- 2 - Método do Plaqueamento (Unidades Formadoras de Colônias); Placas de Petri com meio de 
cultura gelificado são usadas para a contagem de células viáveis (capazes de se reproduzir). 
a) As amostras diluídas são espalhadas no meio contendo ágar; b) Determina-se o número de unidades 
formadoras de colônias (UFC); c) E ao final calcula-se as UFC pela diluição. 
- Células metabolicamente ativas podem não formar colônias se o meio e as condições de cultura não 
forem adequados; - Método adequado para bactérias e leveduras. 
 
- Métodos Indiretos: Baseados na medida de consumo de substrato e/ou na formação de produtos 
- 1- Monitoramento de componentes intracelulares: Componentes intracelulares usualmente medidos: 
DNA, Proteína, RNA, ATP (para bactérias: ∼ 1 mg ATP/g massa seca celular); NADH (relacionado à 
atividade respiratória); OBS: a composição química das células microbianas, principalmente bactérias, é 
altamente variável de acordo com as condições de crescimento, como a composição do meio de cultura, 
idade da cultura e velocidade de crescimento. 
- 2 - Quantificação de produtos: Produtos comumente monitorados: - Etanol e ácido lático (processos 
anaeróbios) e CO2 (processos aeróbios) 
 
 
7. Quais são as fases da curva de crescimento microbiano, cite e descreva cada uma delas. 
 
 O crescimento do microrganismo, na maioria dos casos é de forma 
exponencial; 
 
1) Fase “Lag” ou latência: Período de adaptação, o qual a célula 
sintetiza as enzimas para metabolização dos componentes do meio; 
Não há reprodução celular (X=X0=const.); Duração da fase varia 
com a concentração do inóculo, idade do microrganismo e estado 
fisiológico. 
2) Fase de Transição: Inicio da reprodução microbiana; 
3) Fase Logarítmica ou exponencial: Velocidade de crescimento é 
constante e máxima (µx=µM); 
Conclui-se que a velocidade de crescimento é diretamente 
proporcional a concentração X; 
Isto é, podemos calcular o tempo de geração ou duplicação do 
microrganismo; 
4) Fase Linear de Crescimento: Velocidade de reprodução constante 
(rx= cte); 
5) Desaceleração:Devido ao esgotamento de alguns nutrientes e ao 
acúmulo de metabólitos no inibidores no meio; 
6) Estacionária: X atinge o valor máximo; Há um balanço entre a 
velocidade de crescimento e morte celular; 
7) Declínio ou morte: A morte celular é maior que o crescimento. 
 
 
8. Calcule a velocidade de crescimento e tempo de geração a partir dos seguintes dados. 
 
 
 
 
9. Quais as vantagens de produzir biocombustíveis a partir da biomassa? E quais as fontes para 
obtenção desta matéria-prima? 
- Considerados uma alternativa para diminuir problemas ambientais e energéticos no mundo; 
- Os biocombustíveis representam alternativa deenergia para a redução do aquecimento global e 
diversificação da oferta, face ao possível esgotamento das reservas de petróleo. 
- Baixa emissão de CO2 na atmosfera; 
- Redução do aquecimento global e efeito estufa; 
- O Brasil conta com uma grande variedade de plantas que podem servir de matéria-prima para produção 
de biocombustíveis; 
- Fontes: Vegetais não lenhosos, Vegetais lenhosos, Resíduos orgânicos, Biofluídos (Óleos Vegetais). 
 
10. Defina: 
a) POL: Determina a % de sacarose aparente presente na amostra. 
b) BRIX.: Determina a quantidade de sólidos solúveis presentes na amostra. 
c) AR.: Determina a quantidade de açucares redutores, ou seja a % de açúcar invertido, compreendendo 
glicose, frutose e demais substancias redutoras, presentes na amostra. 
d) ART ou ATR: Determina a quantidade de açucares redutores totais presentes na amostra, por hidrólise 
total. 
e) Pureza.: (Pol / Brix) * 100 
f) Pureza real.: (Sacarose real / Sólidos totais) * 100 
 
11. Qual a diferença entre o etanol de 1ª e 2ª geração? E cite as matérias-primas utilizadas para a 
fermentação alcoólica. 
Etanol de 1º Geração: Produzido a partir de sacarose. 
Etanol de 2º Geração: Produzido a partir de qualquer tipo de material que contenha celulose; 
 
12. Cite as etapas do pré-tratamento de biomassas lignocelulósicas e fale porque está etapa é 
importante no processo. 
- Explosão a vapor -> Material é aquecido com vapor de alta pressão -> Descompressão súbita -> 
Hidrólise da hemicelulose e despolimerização da celulose e lignina. 
- Etapa importante para se quebrar a estrutura cristalina da lignocelulose e remover a lignina, expondo as 
moléculas de celulose e hemicelulose à ação enzimática 
 
 
 
 
 
 
 
t(h) Massa de X 
0 0,1 
0,5 0,18 
1 0,28 
1,5 0,38 
2 0,58 
13. Cite as diferenças entre a hidrólise ácida e a hidrólise enzimática. 
 
 
 
14. O que é o sistema de embebição e qual sua finalidade? Quais as formas de embebição? 
- Processo no qual água ou caldo são aplicados ao bagaço de um terno, sob a forma de aspersão, jatos 
pressurizados ou bicas de embebição. O primeiro terno extrai cerca de 70 a 75% do caldo da cana, sendo 
que o restante do caldo é extraídos nos ternos subsequentes; 
- Tem como finalidade embeber o bagaço para dissolver a sacarose ainda contida, aumentando a 
extração do caldo no terno seguinte. 
- Embebição Simples - É uma maneira rudimentar de aplicação da embebição, onde apenas água é 
aplicada no bagaço de cada terno a partir do 2º terno. 
- Embebição composta - Consiste na aplicação de toda a água de embebição no último terno da moenda, 
o caldo deste é bombeado ao terno anterior, assim sucessivamente até o segundo terno; O caldo de 
primeira extração e os demais caldos poderão ou não ser misturados dependendo do processo adotado. 
 
15. Quais as vantagens e desvantagens da extração do caldo por difusão? 
Vantagens do Difusor: Maior extração; Consumo menor de energia; Ausência de bagacilhos; Sistema mais 
limpo e higiênico; Processo mais automatizado; Menor custo de manutenção entre safra; Obtenção de caldos 
mais puros; Alta extração de sacarose (97-98 %). 
- Desvantagens do Difusor: Pouca flexibilidade operacional; Exige um apoio técnico maior; Custo de 
implantação é maior que o da moenda. 
16. Com que finalidade é feita a pré-evaporação do caldo? 
Concentrar o caldo em 21° Brix; Formar álcool correspondente a cerca de 8% do vinho a ser destilado --> 
para garantir alta eficiência na fermentação e baixo consumo de vapor nas colunas de destilação. 
17. Quais vantagens são apresentadas quando a fermentação é conduzida em meios ácidos. 
- Maiores rendimentos em etanol pelo fato de restringir o crescimento do fermento; 
- Redução da produção de glicerol; 
- Redução da contaminação bacteriana 
 
18. Quais efeitos são ocasionados pela concentração de sulfito e porque a produção de glicerol é 
indesejada na fermentação alcoólica? 
- Sulfito é utilizado no processo de clarificação do açúcar e está presente em altas concentrações no 
melaço, contribuindo para a diminuição do rendimento alcoólico e viabilidade celular. 
- O sulfito aumenta a produção de glicerol e inibe o desenvolvimento das leveduras que, com o passar do 
tempo, passam a apresentar certa adaptação a tal situação 
 
19. O que difere o processo descontinuo do processo continuo? 
- Processo contínuo - A alimentação e os produtos fluem continuamente enquanto dura o processo; Há 
contínua passagem de matérias através das fronteiras do sistema; Possui alimentação contínua do meio de 
cultura a uma determinada vazão, sendo o volume de reação mantido constante pela retirada contínua do 
caldo de fermentação. 
- Processo descontinuo - A alimentação e os produtos são colocados e extraídos apenas uma vez. 
 
20. Quais as vantagens e desvantagens da fermentação continua? 
- Vantagens: Maior produtividade devido à redução de tempos não produtivos; Menor capacidade de dornas, 
trocadores, e outros; Obtenção de caldo fermentado uniforme; Regime estacionário em condições ótimas para 
micro-organismo; Possibilidade de associação com outras operações contínuas (destilação). 
- Desvantagens: Maior investimento inicial na planta; Possibilidade de mutações genéticas espontâneas; 
Maior possibilidade de contaminações, por se tratar de um sistema aberto, aberto, necessitando mais cuidados 
de assepsia; Dificuldade de manutenção de homogeneidade no reator e de operação em estado estacionário; 
Menor flexibilidade frente a alterações no processo; Choque ao passar a levedura pelas dornas em série. 
21. As leveduras floculantes são empregadas em qual tipo de reator? E qual as vantagens de se utilizar 
estas leveduras no processo? 
- Utilização de reatores torre; 
- Forma leitos estáveis (operação com alta concentração de células, diminuindo o tempo de fermentação); 
Comportamento de reator tubular, desejável para processos com inibição pelo produto; Facilidade 
operacional, podendo ser totalmente automatizado; Baixo custo de instalação e operação; Baixo consumo 
de insumos; Ganho de tempo e rendimento; Menor custo de manutenção na entressafra; Pode aumentar 
2,5x a produtividade em comparação ao processo contínuo e em 3x ao batelada. 
 
22. Como é feita a separação do meio fermentado? 
A separação é realizada em centrífugas - Líquido é alimentado continuamente no centro do rotor e distribuído 
para a periferia periferia deste, por meio do cone de distribuição. A alta rotação força este liquido a passar 
através de discos cônicos, onde é separado pela força centrífuga em uma fase sólida e uma líquida. O 
concentrado, sendo a fase mais pesada, contendo as células de levedura e uma pequena quantidade de vinho, é 
forçada para fora da parede do rotor; O vinho delevedurado, sendo fase leve, é deslocado em direção ao centro 
do rotor e deixa este através de uma abertura no topo do rotor, sendo impulsionado para fora da separadora 
através do coletor. 
23. No Brasil utiliza-se três processos industriais de desidratação do álcool, quais são? Explique. 
- Destilação azeotrópica – hidrocarboneto como agente desidratante; - responsável por 70 % da 
produção nacional. 
. Inicialmente utilizava-se benzeno (composto carcinogênico), o mesmo foi substituído pelo ciclo-
hexano; 
A adição de um terceiro componente interfere no equilíbrio da fase líquido-vapor. Aumenta a volatilidade 
da água e do hidrocarboneto, tendendo a concentrá-los na fase vapor do equipamento. O etanol ficaria 
concentrado na fase líquida da destilação. A mistura da fase vapor (água, hidrocarboneto e álcool) 
também se trata de uma mistura azeotrópica, mas possui 2 particularidades interessantes: - Primeira – a 
proporção de água na mistura ternária é muito maior que a da binária, de forma que toda água é jogada 
para a fase vapor, permanecendo álcool na fase líquida quase isenta de água. - Segundo – quando 
condensada da origem a duas fases líquidas imiscíveis, mistura azeotrópicaheterogênia. 
 
 - Destilação extrativa – etileno glicol como agente desidratante; - responsável por 25% da produção 
nacional. 
. Adiciona um solvente ou agente extrativo que reduz a volatilidade da água, assim concentra o etanol na 
fase vapor; Solvente MEG – etileno-glicol ou monoetileno-glicol; Em função de suas fortes interações 
atrativas com a água, o etileno-glicol reduz substancialmente a volatilidade desta substância. 
 
- Peneira molecular – Sólidos porosos denominados Zeólitas; - responsável por menos de 10% da 
produção nacional 
. Com a utilização da Peneira Molecular, não há o uso de qualquer insumo químico, obtendo-se um 
produto final sem traços destes produtos preservando assim a vida e o meio ambiente. Esse álcool é 
especificamente indicado para aplicações mais exigentes como o uso em indústrias farmacêuticas, 
químicas e de alimentação. O princípio de desidratação de álcool através de Peneira Molecular está 
baseado na capacidade de adsorção seletiva de substâncias denominadas zeólito. Quando da passagem, 
em fase de vapor, de um fluxo contendo álcool + água, as moléculas de água ficam "presas" na estrutura 
cristalina especialmente desenvolvida, dando aí o nome de Peneira Molecular.