Aula 1 - Introdução à Engenharia Bioquímica

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Introdução à Engenharia 
Bioquímica
Disciplina: Engenharia Bioquímica
Professora: Carolina Resmini Melo Marques
Princípios Básicos de Bioquímica
• A bioquímica estuda as estruturas moleculares, os mecanismos e os
processos químicos responsáveis pela vida. Os organismos vivos
continuamente efetuam atividades funcionais que permitem a sua
sobrevivência, crescimento e reprodução.
• Para realizar suas funções, os seres vivos dependem da capacidade de
obter, transformar, armazenar e utilizar energia.
Células: a unidade básica da vida
• As células são as unidades estruturais e funcionais de todos os
organismos vivos.
• As células são classificadas de acordo com seu tamanho e
complexidade em:
- Procarióticas;
- Eucarióticas.
Figura 1: Células Eucarióticas e Procarióticas.
Metabolismo celular
O metabolismo celular é o
conjunto de todas as reações químicas,
de catabolismo e de anabolismo, que
ocorrem nas células de todos os seres
vivos.
Tais reações são acompanhadas
por transferências de energia.
Figura 2: Anabolismo e Catabolismo.
Macromoléculas
• As macromoléculas são constituídas pela união química de
precursores relativamente simples (subunidades monoméricas) para
formar polímeros de unidades repetidas.
• As quatro principais classes de moléculas biológicas são:
- Carboidratos
- Proteínas
- Lipídios
- Ácidos Nucléicos
Carboidratos
• São polímeros de açúcares simples, como a glicose.
• Certos carboidratos (açúcar comum e amido) são a base da dieta na maior
parte do mundo e a oxidação dos carboidratos é a principal via metabólica
fornecedora de energia para a maioria das células não-fotossintéticas.
• A fórmula geral da maioria é: (CH2O)n.
• São divididos em grupos de acordo com seu tamanho:
- Monossacarídeos (ou açúcares simples).
- Oligossacarídeos (compostos de cadeias curtas de unidades
monossacarídicas, unidas por ligações características chamadas glicosídicas.
Os mais abundantes são os dissacarídeos, formados por duas unidades de
monossacarídeos. Um exemplo é a sacarose, a maltose e a lactose).
Proteínas
• São formadas por longos polímeros de aminoácidos.
• Apresentam elevada massa molecular.
• São as moléculas mais diversificadas quanto à forma e à função.
• São sintetizadas a partir de apenas 20 monômeros diferentes: os 
aminoácidos.
• Os aminoácidos são compostos que apresentam, 
na sua molécula, um grupo amino (-NH2) e um 
grupo carboxila (-COOH).
Figura 3: Estrutura e classificação dos aminoácidos.
Lipídios
• Os lipídios, também chamados de gorduras, são biomoléculas
orgânicas compostas, principalmente, por moléculas de H, O e C.
• Fazem parte ainda da composição dos lipídios outros elementos
como, por exemplo, o fósforo.
• Fornecem energia para as células. Porém, estas preferem utilizar
primeiramente a energia fornecida pelos glicídios.
• Alguns tipos de lipídios participam da composição das membranas
celulares.
Ácido graxo + Glicerol → Lipídio 
Ácidos Nucléicos
• Formados por unidades monoméricas menores conhecidas como
nucleotídeos.
• Cada nucleotídeo, por sua vez, é formado por três partes: um açúcar do
grupo das pentoses (monossacarídeos com cinco átomos de carbono); um
radical “fosfato”, derivado da molécula do ácido ortofosfórico (H3PO4) e
uma base orgânica nitrogenada.
• Constituem o DNA e o RNA que armazenam, transmitem e transcrevem a
informação genética.
Tabela 1: Comparação das classes de macromoléculas.
Respiração X Fermentação
• Os seres vivos utilizam a molécula de adenosina trifosfato (ATP) como
fonte de energia para diferentes ações.
• o ATP é constituído por um nucleotídeo composto pela base
nitrogenada (adenina) ligada a um açúcar (ribose) e três fosfatos, cuja
energia é armazenada nas ligações químicas entre os fosfatos. O
rompimento dessa ligação libera fosfato que é utilizado nos processos
celulares.
• O ATP é utilizado e gerado durante os processos de respiração celular,
tanto na presença de oxigênio (respiração aeróbia) quanto na
ausência de oxigênio (respiração anaeróbia e fermentação).
Figura 4: Estrutura do ATP, ADP e AMP. 
• RESPIRAÇÃO:
➢ A respiração divide-se em duas fases:
- a anaeróbia, que compreende a etapa da glicólise, que ocorre
na ausência do oxigênio no citoplasma das células eucariótica e
procariótica;
- e aeróbia que ocorre na presença do oxigênio.
➢ A fase aeróbia divide-se em duas etapas:
- o ciclo de Krebs que ocorre nas mitocôndrias das células
eucarióticas e no citoplasma das células procarióticas;
- e a cadeia respiratória que ocorre nas mitocôndrias e próximas
à face interna da membrana plasmática.
Figura 5: Esquema simplificado dos processos que envolvem a respiração aeróbia.
• FERMENTAÇÃO:
- A fermentação ocorre na ausência do oxigênio.
- A glicose é degradada em substâncias mais simples, como o ácido
lático (fermentação lática) e o álcool etílico (fermentação alcoólica).
- Tanto na fermentação lática como alcoólica há um saldo de apenas 2
moléculas de ATP e, em ambos os processos, iniciam com o ácido
pirúvico obtido da glicólise, como descrito na respiração aeróbia.
Engenharia Bioquímica: uma aplicação sui 
generis da engenharia química 
O objetivo da Engenharia Bioquímica é a aplicação dos
conhecimentos da Engenharia Química na solução de problemas que se
apresentam na implantação de processos biotecnológicos em larga
escala, e em sua otimização.
• A célula microbiana responsável pela transformação que nos
interessa em um dado processo realiza, além dessa transformação,
um grande número de outras reações com o objetivo, para ela
absolutamente primordial, de manter-se viva e multiplicar-se.
• O conhecimento das prováveis vias metabólicas que se desenvolvem
nas células é, neste particular, de grande auxílio, fornecendo muitas
vezes informações que indicam a maneira mais adequada de conduzir
o processo que nos interessa.
• A manutenção de um razoável grau de
“homogeneidade” no reator, para que todos
os agentes da transformação se encontrem,
pelo menos aproximadamente, nas mesmas
condições, é outro problema a ser
considerado, principalmente em reatores
industriais.
Histórico 
• A biotecnologia pode ser dividida em 6 fases:
- A primeira fase durou até 1900. Nessa época apenas dois produtos
eram fabricados em grande escala: o vinagre e o álcool.
- A segunda fase abrange o período de 1900 a 1940. Fabricava-se um
número maior de produtos. Os fermentadores eram equipados com
agitadores mecânicos e passou a ser feita a aeração do meio.
- A terceira fase começou em 1940 e vai até os dias de hoje. Aos
produtos que já eram fabricados acrescentou-se os antibióticos, os
aminoácidos, as enzimas, etc.
- A quarta fase começou em 1960 com aplicação de técnicas de
engenharia genética para produzir cepas mais eficientes.
- A quinta fase começou em 1979 com a aplicação da tecnologia do
DNA-recombinante.
- A sexta fase data do início dos anos 80. Ela baseia-se principalmente
em aplicações médicas, notadamente em diagnóstico de doenças de
origem virótica.
Processo biotecnológico industrial genérico 
• Para que o resultado que se tem em vista seja alcançado, dois
conjuntos de operações devem ser também cuidadosamente
considerados, a saber:
- Os tratamentos iniciais.
- Os tratamentos finais.
Figura 7: Representação esquemática de um processo biotecnológico 
industrial genérico. 
• Tipos de processos conforme os agentes das transformações:
- Processos enzimáticos.
- Processos fermentativos (o reator é chamado de dorna).
• Cumpre não esquecer que a atividade vital dos microrganismos
responsáveis por um processo fermentativo é sempre o resultado de
considerável número de reações enzimáticas. A rigor, portanto, quer
nos processos chamados enzimáticos, quer nos denominados
fermentativos, enzimas são, em última análise, os catalisadores das
transformações que ocorrem no reator.
Microrganismos e meios de cultura para 
utilização industrial 
Figura 8: Esquema geral de um processo fermentativo. 
Fontes de microrganismos de interesse• Microrganismos que possam ter interesse industrial, podem ser
obtidos basicamente das seguintes formas:
- isolamento a partir de recursos naturais;
- compra em coleções de culturas;
- obtenção de mutantes naturais;
- obtenção de mutantes induzidos por métodos convencionais;
- obtenção de microrganismos recombinantes por técnicas de
engenharia genética.
Características desejáveis de microrganismos 
• Apresentar elevada eficiência na conversão do substrato em produto;
• permitir o acúmulo do produto no meio, de forma a se ter elevada
concentração do produto no caldo fermentado;
• não produzir substâncias incompatíveis com o produto;
• apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico;
• não ser patogênico;
• não exigir condições de processo muito complexas;
• não exigir meios de cultura dispendiosos;
• permitir a rápida liberação do produto para o meio.
• A operação de biorreatores de grande porte, do ponto de vista
técnico e econômico, praticamente exige o emprego de
microrganismos não patógenos, os quais possam ser manuseados
sem riscos ambientais, particularmente nas etapas seguintes em
relação ao término do processo fermentativo.
• O cultivo de patogênicos é efetuado, por exemplo, para a produção
de vacinas, em reatores de pequeno porte, porém confinados em
câmaras assépticas, tomando-se precauções necessárias para a não
ocorrência de contaminação do meio ambiente.
Existem valores ótimos do pH e da temperatura, por exemplo,
em termos do acúmulo do produto.
No entanto, também se sabe que o controle preciso do pH e da
temperatura apenas é possível em reatores de bancada, sendo que em
reatores de grande porte deverá ocorrer uma certa heterogeneidade ao
longo da altura do reator, de forma que a célula deverá manter o seu
desempenho, apesar de uma certa flutuação nos valores destas
grandezas tomadas como exemplo.
• Os microrganismos podem ser classificados
de acordo com a temperatura em que seu
crescimento é pleno em:
- Mesófilos: se desenvolvem entre 20°C e
40°C.
- Termófilos: se desenvolvem em
temperaturas entre 45°C e 100°C.
- Psicrófilos: se desenvolvem em
temperaturas baixas entre -4°C e 15°C.
• Quanto ao pH, existe uma faixa ótima de concentração de íons
hidrogênio para o desenvolvimento de microrganismos.
• As bactérias preferem os meios neutros (pH 7 – 7,5), sendo a maioria
tolerantes a pH entre 6 e 9.
• As leveduras e os mofos preferem meios relativamente ácidos (pH 3-
6).
• Os microrganismos geralmente crescem melhor no pH do seu habitat
natural.
- Aeróbios: necessitam de oxigênio para sua sobrevivência.
- Anaeróbios: não sobrevivem na presença de oxigênio.
- Anaeróbios facultativos: sobrevivem na ausência ou na
presença de oxigênio. Tais organismos podem ser subdivididos
em dois grupos, dependendo se o oxigênio é ativamente
metabolizado ou é meramente tolerado.
- Microaerófilos: precisam de oxigênio para sobreviver, mas a
concentrações muito baixas.
- Aerotolerantes: são bactérias anaeróbias que crescem em
pressões de oxigênio inferiores à da atmosfera terrestre.
• A necessidade de manutenção de altas concentrações de oxigênio dissolvido traz
problemas bastante sérios no tocante a um maior dispêndio de energia, em
virtude de uma maior agitação e aeração do meio.
• Quanto ao requerimento de oxigênio, os microrganismos podem ser
classificados em:
Meios de cultura para aplicação industrial 
• Algumas características gerais que devem ser consideradas são:
- ser o mais barato possível;
- atender às necessidades nutricionais do microrganismo;
- auxiliar no controle do processo, como é o caso de ser ligeiramente
tamponado, o que evita 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.
• Os microrganismos retiram do meio ambiente todas as substâncias
necessárias para a síntese de material celular e de obtenção de
energia.
• As necessidades dos microrganismos variam muito.
• Microrganismos autotróficos podem sintetizar todos os metabólitos
necessários para a célula a partir de compostos inorgânicos; os
heterótrofos requerem um ou mais nutrientes orgânicos.
• Os microrganismos utilizam como fonte de carbono, e
frequentemente de energia, diversos açúcares, tais como: glicose,
sacarose, frutose, ou ainda polissacarídeos, como o amido.
• O carbono representa de 45 a 50% do peso seco celular. É o
componente básico para a biossíntese, fazendo parte de todos os
compostos sintetizados pela célula.
• Como fonte de nitrogênio são frequentemente utilizados sais, como o
(NH4)2SO4 (o qual costuma provocar reduções significativas no pH e,
em alguns casos, fenômenos de inibição pelo sulfato), o (NH4)2HPO4,
ou aminoácidos, ou a ureia.
• O nitrogênio consiste de 10 a 15% do peso seco das células.
• Como fonte de fósforo utilizam-se os fosfatos solúveis, os quais
passam a ser fontes de nitrogênio e fósforo simultaneamente. O
fósforo é importante na regulação do metabolismo celular e no
fornecimento de fosfatos para a geração de energia.
• Ainda, necessita-se adicionar outros elementos, como: Na, K, Ca, Fe,
Cu, Mg, Mn, Co, etc, em concentrações frequentemente muito
reduzidas, na forma de seus sais solúveis. Estes compostos, às vezes,
estão presentes como impurezas de outros ingredientes do meio de
cultura.
• Meios de cultura constituídos apenas por essas substâncias
costumam ser chamados de meios definidos, ou meios sintéticos,
cuja composição química é sempre muito bem conhecida e pode ser
reproduzida a qualquer instante.
• No entanto, para uma grande variedade de linhagens, há a
necessidade da adição de certos “fatores de crescimento”, ou seja,
alguns aminoácidos específicos ou vitaminas.
Modos de fermentação 
Os modos de fermentação podem ser classificados como
descontínuos ou batelada, semi-contínuo ou contínuo.
Operação em batelada:
- Todos os nutrientes e substratos são
alimentados ao reator antes da inoculação das
células.
- Durante a operação não há adição de
nutrientes e/ou substratos.
- A maioria dos processos fermentativos
tradicionais são conduzidos em batelada.
• Operação em batelada alimentada:
- Consiste em adicionar contínua ou
intermitentemente, um ou mais nutrientes
precursores ou substrato ao reator durante a
fermentação.
- Eficiente na redução dos efeitos indesejáveis
causados pela concentração elevada no meio de
cultura de compostos nocivos, mas essenciais,
aos microrganismos, através da adição
controlada dos mesmos.
• Operação contínua:
- Na operação contínua substratos e nutrientes são
continuamente alimentados ao reator e substratos e
nutrientes são consumidos, produtos e células são
retirados do reator.
- Em operação estacionária a vazão de retirada iguala-
se à vazão de entrada.
- Combinações dos modos de operação apresentados
são possíveis. Dentre estas merece destaque a
operação tendo reatores batelada em série,
repetidas bateladas e reator contínuo com reciclo.