BIOPROCESSOS INTRO

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BIOPROCESSOS AULA 2
Definições
FERMENTAÇÃO:
✓ Utilização de uma substrato orgânico para a geração de energia
✓ Cultivo de microrganismo (enzimas, células eucarióticas) em ambiente controlado
VIAS DE FERMENTAÇÃO:
✓ Homofermentativa: origina um principal produto. Ex. Bactérias ácido láticas,
convertem glicose em ácido lático.
✓ Heterofermentativa: origina dois ou mais produtos. Ex. Cl. acetobutylico converte
glicose em umamistura de acetona, etanol, isopropanol e butanol
MICROBIOLOGIA:
✓ Área da ciência que dedica-se ao estudo dos micro-organismos, um vasto e
diverso grupo de organismos unicelulares de dimensões reduzidas, que podem ser
encontrados como células isoladas ou agrupados em diferentes arranjos, mesmo
estando associadas, exibindo um caráter fisiológico independente.
✓ Assim, com base neste conceito, a microbiologia envolve o estudo de organismos
procariotos (bactérias, archaeas), eucariotos inferiores (algas, protozoários, fungos) e
também os vírus.
BENEFÍCIOS BACTÉRIAS:
✓ Produtores de medicamentos: antibióticos
✓ Fixadoras de nitrogênio
✓ Controle biológico
✓ Produtores de alimentos: iogurte
✓ Produtores de ácidos e vitaminas
BENEFÍCIOS FUNGOS:
✓ Produtores de alimentos: queijo, pão, cerveja
✓ Produtores de medicamentos: antibióticos, antifúngicos
✓ Controle biológico
✓ Decomposição de matéria orgânica
UBIQUIDADE:
✓ A ubiquidade dos microrganismos refere-se a sua presença em todos os lugares,
podendo ser encontrados desde a superfície até o interior de corpos dos animais e
vegetais.
✓ O aspecto mais fundamental é o tamanho da célula do microrganismo
permitindo uma grande relação entre superfície e volume
Bioprocessos
Os produtos comercialmente importantes dos microrganismos podem ser divididos
em quatro categorias:
I. As células microbianas
II. Moléculas grandes ex: enzimas
III. Metabólicos primários (componentes essenciais para seu crescimento)
IV. Metabólicos secundários (componentes não necessários para seu crescimento)
ORIGEM DOS MICRORGANISMOS DE INTERESSE:
● Isolamento a partir de recursos naturais
● Obtenção de mutantes naturais
● Obtenção de mutantes induzidos
● Obtenção de microrganismos recombinantes
● Compra de coleções
CARACTERÍSTICAS DESEJÁVEIS DOS MICRORGANISMOS DE INTERESSE:
● Alta eficiência na conversão do substrato em produto
● Permitir o acúmulo do produto no meio
● Não produzir composto incompatível com o produto
● Ser constante quanto sua fisiologia
● Não ser patogênico
● Não exigir processos complexos
● Não exigir meio caros
● Permitir fácil liberação do produto para o meio
CARACTERÍSTICAS DESEJÁVEIS DO MEIO DE CULTIVO:
● Ser o mais barato possível
● Atender as necessidades nutricionais do microrganismo
● Favorecer o controle do processo. Ex. pH, espuma
● Não causar problema para recuperação do produto
● Ser constituído de elementos armazenável
● Possuir composição razoavelmente estável
● Não causar problema de efluentes
Crescimento de Cultura
LAG:
● Período variável, onde ainda não há um aumento significativo da população.
Ao contrário, é um período onde o número de organismos permanece
praticamente inalterado.
● Esta fase é apenas observada quando o inóculo inicial é proveniente de
culturas mais antigas.
● A fase lag ocorre porque as
células de fase estacionária
encontram-se depletadas
de várias coenzimas
essenciais e/ou outros
constituintes celulares
necessários à absorção dos
nutrientes presentes no
meio.
● Também é observada
quando as células sofrem
traumas físicos (choque
térmico, radiações) ou químicos (produtos tóxicos), ou quando são transferidas
de ummeio RICO PARA OUTRO DE COMPOSIÇÃOmais pobre, devido a
necessidade de síntese de várias enzimas.
● Assim, durante este período observa-se um aumento na quantidade de
proteínas e no tamanho celular.
LOG OU EXPONENCIAL:
● Nesta etapa, as células estão plenamente adaptadas, absorvendo os
nutrientes, sintetizando seus constituintes, crescendo e se duplicando.
● Deve ser levado em conta também que neste momento, a quantidade de
produtos finais de metabolismo ainda é pequena.
● A taxa de crescimento exponencial é variável, de acordo com o tempo de
geração do organismo em questão. Geralmente, procariotos crescemmais
rapidamente que eucariotos. Nesta fase são realizadas as medidas de tempo
de geração.
● Geralmente, ao final da fase log, as bactérias passam a apresentar fenótipos
novos, decorrentes do processo de comunicação denominado "quorum
sensing".
ESTACIONÁRIA:
● Nesta fase, os nutrientes estão escasseando e os produtos
tóxicos estão tornando-se mais abundantes.
● Nesta etapa não há um crescimento líquido da população,
ou seja, o número de células que se divide é equivalente
ao número de células que morrem.
● Na fase estacionária que são sintetizados vários
metabólitos secundários, que incluem antibióticos e
algumas enzimas.
● Nesta etapa ocorre também a esporulação das bactérias (processo pelo qual as
bactérias produzem esporos quando estão em um ambiente desfavorável à
sua sobrevivência. Na fase de esporo, a bactéria pode permanecer dormente
por um longo tempo, até que as condições voltem a ser favoráveis.)
DECLÍNIO:
● Amaioria das células está em processo de morte, embora outras ainda
estejam se dividindo.
● A contagem total permanece relativamente constante, enquanto a de viáveis
cai lentamente. Em alguns casos há a lise celular (Biomassa X Células viáveis).
Fatores Ambientais
TEMPERATURA:
● Corresponde a um dos principais fatores
ambientais que influenciam o
desenvolvimento bacteriano.
● Àmedida que há um aumento da
temperatura, as reações químicas e
enzimáticas na célula tendem a tornar-se
mais rápidas, acelerando a taxa de
crescimento.
● Entretanto, em determinadas temperaturas
inicia-se o processo de desnaturação de
proteínas e ácidos nucléicos, inviabilizando a
sobrevivência celular.
pH:
● Os ambientes naturais tem uma faixa de pH de 5 a 9,
o que comporta o crescimento de diferentes tipos de
microrganismos.
● Bactérias - faixa entre 7, com algumas acidófilas
(Thiobacillus de 0,5 a 6,0 com ótimo entre 2 e 3,5) e
outras alcalifílicas (Bacillus e Archaea).
● Fungos - tendem a ser mais acidófilos que as
bactérias (pH <5).
TENSÃO DE O2:
● Extremamente importante no desenvolvimento, uma vez que os
microrganismos comportam-se de forma bastante distinta, sendo classificados
como aeróbios, anaeróbios estritos, anaeróbios facultativos, microaerófilos e
anaeróbios aerotolerantes.
CRESCIMENTO POPULACIONAL:
● Definido como o aumento do número, ou da massa microbiana.
● A taxa de crescimento é a variação no número ou massa por unidade de
tempo.
● O tempo de geração é o intervalo de tempo necessário para que uma célula se
duplique.
● O tempo de geração é variável para os diferentes organismos, podendo ser de
10 a 20 minutos até dias, sendo que emmuitos dos organismos conhecidos,
este varia de 1 a 3 horas.
● O tempo de geração pode ser calculado quando uma cultura encontra-se em
fase exponencial, pela fórmula abaixo:
N=No.2n
➔ N= número final de células
➔ No= número inicial de células
➔ n= número de gerações.
n= log(N) - log(No)/0.301 g = t/n
➔ g= tempo de geração
➔ t= tempo de crescimento
➔ n= determinado acima.
MEDIDAS DE CRESCIMENTO (MULTIPLICAÇÃO)
MICROBIANO:
● O crescimento dos microrganismos pode ser mensurado por diferentes
técnicas, tais como pelo acompanhamento da variação no número ou peso de
células.
CONTAGEM TOTAL DE CÉLULAS:
● Esta metodologia envolve a contagem direta das células em ummicroscópio,
utilizando-se câmaras de contagem.
● A contagem direta é uma técnica rápida, mas tem como principais limitações
a impossibilidade de distinção entre células vivas e mortas (o que pode ser
contornado pelo uso de corantes vitais, para leveduras) e contagens errôneas,
devido às pequenas dimensões de algumas células, ou pela formação de
agregados celulares ou mobilidade.
CONTAGEM DE VIÁVEIS:
● Procedimento também conhecido como contagem em placa, que estima o
número de células viáveis em uma amostra.
● Esta metodologia envolve a coletade alíquotas de uma cultura microbiana em
diferentes tempos de crescimento, as quais são então inoculadas emmeio
sólido.
● Após a incubação dos meios, o número de colônias é contado.
● Como uma colônia normalmente é originada a partir de um organismo, o total
de colônias que se desenvolvem no meio corresponde ao número de células
viáveis presentes na alíquota analisada.
MASSA DE CÉLULAS:
● Pode ser determinada a partir da estimativa do peso seco ou do peso úmido
de uma cultura.
● Este tipo de procedimento é realizado quando não é necessário determinar o
número preciso de microrganismos presentes.
● Peso seco: Muito utilizado na quantificação de fungos, onde o micélio é
retirado da cultura, lavado e transferido para um frasco e submetido à
secagem. Realizam-se então sucessivas pesagens, até o momento onde não
observa-se mais variações.
● Este procedimento pode também ser realizado centrifugando-se a cultura e
pesando o sedimento, ou então secando-o e depois pesando.
ANÁLISES QUÍMICAS:
● A partir da quantificação de proteínas ou de nitrogênio, ou por meio da análise
de diferentes atividades metabólicas.
TURBIDIMETRIA:
● Quantificação em espectrofotômetro ou colorímetro a 660 nm, uma vez que
neste comprimento de onda, a cor geralmente parda dos meios de cultura não
interfere com os resultados.
● Tal metodologia requer a confecção de uma curva padrão.
● Embora a análise turbidimétrica seja menos sensível, é de rápida e fácil
execução. Entretanto, não permite a determinação de células viáveis.