Lista 2 - Processos Biotecnológicos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA 
LISTA DE EXERCÍCIOS 2 - ENQ 453 
 
Nome: Lindrieli Almeida Rosa 
Matrícula: 96881 
Professor: Alexandre Fontes Pereira 
 
 
1) Explique a influência do pH e da temperatura no controle enzimático e explique a 
diferença entre eles, quando os valores estão longe da faixa ótima. 
 
O pH e a temperatura influenciam significativamente as reações enzimáticas. Sabe-se que a 
temperatura afeta a velocidade das reações químicas, isto é, à medida que se aumenta a 
temperatura a velocidade da reação também aumenta, devido ao aumento das colisões entre 
as moléculas reagentes. Contudo, a velocidade da reação aumenta até um valor máximo, 
que corresponde a uma temperatura ótima, em que se obtém conversões mais rápidas. Se a 
temperatura aumentar além da temperatura ótima, a enzima pode se desnaturar ou obter 
conformações que dificultam sua interação com o substrato, reduzindo a velocidade da 
reação. Assim como a temperatura, o pH também influencia a velocidade das reações, cada 
enzima possui uma faixa ótima de pH, em que se atinge a velocidade máxima de reação, um 
pH acima ou abaixo dessa faixa pode reduzir a velocidade de reação ou em condições mais 
extremas desnaturar as proteínas. Portanto, o pH e temperatura são parâmetros significativos 
de controle de um processo enzimático. 
 
2) Ao realizar um experimento e comparar enzimas com catalisadores químicos, responda: 
 
a) Complete o quadro abaixo: enzima (catalase), catalisador químico (platina), sem catalisador 
 
b) Destacar três diferenças entre as características de enzimas e catalisadores químicos. 
 
As enzimas e os catalisadores químicos possuem a função em comum de catalisar reações 
químicas e acelerar a velocidade das reações. As enzimas possuem natureza protéica e são 
produzidas por organismos vivos, já os catalisadores químicos são, geralmente, substâncias 
orgânicas e inorgânicas, podendo ser metais, óxidos metálicos e compostos químicos, os 
quais que não são produzidos por organismos vivos. Outra diferença importante entre as 
enzimas e catalisadores químicos é a especificidade pelo substrato, as enzimas são altamente 
Sem catalisador 
Catalisador Platina 
Enzima catalase 
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específicas em relação aos substratos que catalisam. Essa especificidade é determinada pela 
forma e pelas propriedades químicas da enzima. Já os catalisadores químicos podem ser 
menos específicos e catalisar uma ampla variedade de reações químicas. Além disso, os 
catalisadores químicos atuam sob elevadas temperaturas e a pressões mais altas, atuando em 
condições mais extremas, enquanto as enzimas possuem pH e temperatura ótimas de atividade 
enzimática, atuando em condições mais brandas do que os catalisadores químicos. 
 
3) A partir das três frases abaixo e da figura, marque V ou F, se tiver errada explique o erro: 
 
 
a) (F) As enzimas alteram o estado de equilíbrio 
As enzimas não alteram o estado de equilíbrio 
 
b) (V) As enzimas abaixam a energia de ativação 
 
c) (F) A Keq. é afetada pela enzima 
As enzimas não alteram a constante de equilíbrio, a constante de quilibrio depende da 
diferença de nível de energia entre os produtos e os reagentes. 
 
4) Cite três enzimas e explique sua aplicação na indústria, além dos processos Upstream e 
Downstream utilizados. 
 
 
De acordo com Schimidell et al., (2001), a produção de um composto de interesse por via 
fermentativa deve seguir alguns passos de acordo com as necessidades do microrganismo 
produtor e de acordo com o produto de interesse que se deseja obter pela fermenttação. Dessa 
forma, o processo depende de 4 etapas: 
 
1° - Deve-se selecionar o microrganismo a ser utilizado. Assim, é importante levar em 
consideração fatores como a taxa de crescimento do microrganismo, a taxa de produção do 
composto de interesse e as condições ideais que este microrganismo necessita para produzi-
lo, além das propriedades que o composto apresentar. 
 
2° - Preparar o meio de cultura apropriado para o cultivo. Deve-se determinar os nutrientes 
requeridos para o crescimento do microrganismo e as substâncias necessárias para se 
maximizar a produção do composto de interesse. 
 
3° - Planejamento da forma de condução do processo, definição do tipo de reator utilizado e o 
modo de agitação e aeração. 
 
4° - Para a fase downstream do processo, deve-se definir as estratégias de recuperação, 
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purificação e concetração do produto e de possível reutilização do microrganismo. 
 
O fluxograma genérico de produção de enzimas por fementação submersa é representado a 
seguir: 
 
 
 
• Enzima Lactase 
 
A lactase ou ß-galactosidase é uma hidrolase responsável por catalisar a hidrólise de 
terminais não redutores presentes em ß-D-galactosídeos, convertendo o dissacarídeo 
lactose nos monossacarídeos glicose e galactose. A lactase é considerada uma das mais 
importantes enzimas na indústria de processamento de alimentos, possuindo diversas 
aplicações industriais, cuja principal é a hidrólise da lactose do leite, possibilitando produzir 
um alimento digerível para a população que apresenta intolerância à lactose. Além disso, 
um dos outros benefícios do uso da lactase na hidrólise do leite é na produção de queijos e 
iogurtes diminuindo o tempo gasto na etapa de acidificação, acelerando assim o processo 
de produção. Os microorganismos mais comumente utilizados para produção da lactase 
em grandes quatidades é as espécies Aspergillus oryzae e Kluyveromyces lactis. Após 
seguir as etapas anteriormente citadas e processar a fermentação, a enzima produzida é 
extraída purificada a partir de etapas como filtração, centrifiugação, precipitação, 
cromatografia e ultrafiltação. 
 
• Enzima amilase 
 
Essas enzimas possuem grandes aplicações em diversos ramos industriais, como 
alimentos, têxtil, química, farmacêutica e detergentes. As enzimas amilases ou amilolíticas 
são responsáveis por hidrolisar o amido liberando componentes de menor peso molecular 
como polímeros compostos por unidades de glicose e as dextrinas. De acordo com Gupta 
et al., (2003), a depender do modo de ação, as enzimas amilolíticas podem ser divididas 
em duas grandes categorias: as endoamilases e exoamilases. As endoamilases como α-
amiliases catalisam a hidrólise das ligações glicosídicas do tipo α-1,4, de uma maneira 
aleatória, no interior da molécula de amido. Sua ação resulta na formação de 
oligossacarídeos ramificados e lineares de vários comprimentos de cadeias. Por outro lado, 
as exoamilasescomo as β-amailases hidrolisam, sucessivamente, ligações glicosídicas a 
partir da extremidade não redutora das mesmas, resultando em produtos finais pequenos. 
 
• Enzima 
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5) O que são cofatores enzimáticos? 
 
Os cofatores enzimáticos são moléculas orgânicas (coenzimas) ou inorgânicas (íons metálicos) 
ligadas as enzimas, as quais desempenham papel importante na atividade enzimática, uma vez 
que tem função importante na especificidade das enzimas, auxiliando a formação de sítios 
ativos adequados e aumentando a taxa de reação específica. 
 
6) O que são enzimas alostéricas? 
 As enzimas alostéricas possuem uma região separada daquela em que se liga o substrato, na 
qual pequenas moléculas regulatórias podem se ligar e modificar a atividade catalítica destas 
enzimas. Essas modificações que ocorrem no sítio catalítico podem ativar ou inibir a atividade 
enzimática e diminuir ou acelerar a velocidade da reação. As enzimas alostéricas funcionam 
através de ligações não covalentes e reversíveis. 
 
 7) Explique inibidores competitivos e não competitivos. 
Os inibidores competitivos possuem estruturas similares à estrutura do substrato e ligam-se ao 
sítioativo da enzima, fazendo com que sua presença gere uma competição reversível com as 
moléculas do substrato pelo sítio ativo da enzima. Um inibidor competitivo diminui a taxa de 
catálise por reduzir a proporção de moléculas de enzima ligadas a um substrato. Já os 
inibidores não competitivos podem se ligar às moléculas de enzima simultaneamente às 
moléculas de substrato em diferentes locais de ligação. Essa ligação do inibir não competitivo 
com a enzima induz uma mudança conformacional na enzima, diminuindo assim a taxa de 
formação do complexo enzima-substrato ou reduzindo a taxa de degradação desse complexo 
para formar o produto. Segue a abaixo uma ilustração representativa dessas categorias de 
inibição reversível: 
 
 
 
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8) Um dos objetivos da engenharia de bioprocessos é incrementar a atividade catalítica de 
enzimas livres ou imobilizadas. A produção de xilitol por via enzimática é conduzida usando a 
enzima xilose isomerase. Esse biocatalisador é obtido pelo cultivo submerso de Kluyveromyces 
marxianus em biorreator. Após o crescimento celular, as células são separadas por 
centrifugação e permeabilizadas para extrair a enzima xilose isomerase. O extrato enzimático 
é purificado e a enzima é imobilizada e utilizada na produção de xilitol. Esse bioprocesso pode 
ser conduzido em um reator tanque agitado. Com base nas informações apresentadas, faça o 
que se pede nos itens a seguir. 
Elabore um diagrama de blocos indicando as etapas relatadas do processo biotecnológico. 
 
 
 
 
9) A equação de Michaelis-Menten, apresentada a seguir, descreve a curva hiperbólica da 
velocidade de reação V0 versus a concentração do substrato [S] para a maioria das reações de 
catálise enzimática com apenas um substrato, sendo KM a constante de Michaelis-Menten e 
Vmax a velocidade máxima da reação. 
 
 
 
 
A glicoamilase é uma das enzimas utilizadas pela indústria na hidrólise da maltose para produzir 
xaropes com maior teor de glicose. A cinética dessa reação é determinada experimentalmente 
em um reator fechado e aquecido a 40 °C. A equação que descreve a reação é: 
Maltose + H2O → Glicose. A partir da linearização da equação de Michaelis-Menten, utilizando-
se Lineweaver-Burk, e dos dados experimentais obtidos, foi construído o gráfico a seguir: 
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Com base nas informações apresentadas, responda: 
Com base nas informações apresentadas, responda: 
a) Os valores de KM e Vmax (com as unidades): 
A partir da linearização da equação de Michaelis-Menten: 
1
V0
=
KM
Vmax
.
1
[S]
+
1
Vmax
 
A partir da regressão linear obtida pelos dados experimentais obteve-se a seguinte 
equiação linear: 
y = 0,8413x + 0,0262 
Sendo as unidades de V0 (µmol/L.min) e [S] (mmol/L) obtidas pelo gráfico. 
Logo: 
KM
Vmax
= 0,8413 
1
Vmax
= 0,0262
L. min
µmol
 
Vmax = 38,17 
µmol
L. min
 
KM = 32,11
mmol
L
 
 
b) A equação de Michaelis-Menten com os valores encontrados de Km e Vmáx. 
V0 =
Vmax. [S]
KM + [S]
 
 
V0 =
38,17. [S]
32,11 + [S]
 
 
 
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10) Antibióticos são substâncias químicas capazes de inibir o crescimento ou destruir o microrganismo 
considerado patogênico. Os antibióticos podem ser naturais, produzidos por fungos ou bactérias, ou 
sintéticos. Os antibióticos de origem natural são produzidos cultivando o microrganismo produtor, 
fungo ou bactéria, em um reator. Esta etapa denominada de upstream é de suma importância para o 
crescimento da célula e produção do antibiótico. Composição do meio de cultivo, aeração, temperatura 
do cultivo, pH, concentração do inoculo interferem na produtividade (MARQUES et al., 2018). A 
produção de antibióticos em território nacional é uma preocupação do Brasil, que hoje, para alguns 
antibióticos como a penicilina, depende da exportação chinesa para abastecer o mercado brasileiro 
(CISCATI, 2017). Resultados preliminares, realizados em sistema batelada, estão dispostos na Tabela 
1, referentes a produção de um antibiótico de considerável aceitação no mercado, conhecida a sua 
aplicação a uma gama de bactérias. 
 
Como Engenheiro Químico, você foi contratado por uma conceituada indústria farmacêutica, com a 
função de responder às seguintes dúvidas do Departamento de Pesquisa e Desenvolvimento. A partir 
da tabela abaixo, responda: 
 
 
a) Qual é o coeficiente de rendimento do substrato em células? 
No tempo entre 0 e 24 horas, observa-se a fase de crescimento celular. Nesse caso, pode-
se aplicar o modelo de Monod: 
 
O coeficiente de rendimento é dado por: 
y = 0,2067x + 1,9
R² = 0,9979
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 5 10 15 20 25 30
Concentração celular (g/L) versus tempo (h)
Concentração celular (g/L) versus tempo (h)
Linear (Concentração celular (g/L) versus tempo (h))
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𝑌𝐶/𝑆 =
𝐶𝐶24 − 𝐶𝐶0
𝐶𝑆0 − 𝐶𝑆24
=
6,8 − 1,8
16 − 4,5
= 0,435 
𝑔 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎
𝑔 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜
 
 
b) Supondo que nas primeiras 24 horas do cultivo em batelada, a cinética de crescimento 
celular obedeça ao modelo proposto por Monod (1949), 5 qual seria a concentração do 
substrato que condiz com a metade da velocidade específica máxima de crescimento 
celular? 
O modelo de Mond poder ser integrado e linearizado, conforme a seguir: 
𝑀 =
𝐾𝑆
𝐶𝑆0 + 𝑌𝑆/𝐶 . 𝐶𝐶0
 
 
 
Assim, M=-1,27, µmax=0,08, KS=25,59 e µ=25,59. 
c) Caso esse processo seja realizado em sistema contínuo sem reciclo de células, com as 
condições da alimentação iguais às condições iniciais do sistema batelada, qual deve ser a 
vazão da alimentação do reator contínuo de 50 litros para que seja alcançada uma conversão 
do substrato de 80 %. Considere que o crescimento celular se dará conforme a cinética de 
Monod (1949). 
 
 
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