Fermentações Industriais

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Universidade de São Paulo – USP
Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz” – Esalq
Departamento de Agroindústria, Alimentos e Nutrição - LAN
AÇÚCAR E BEBIDAS - LAN 0451
Fermentações industriais
Prof. Antonio Sampaio Baptista
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Tecnologia das fermentações
1 – Introdução
2 - Agentes da fermentação
3 - Fermentação alcoólica
4 – Fermentação acética
5- Fermentação láctica
6 – Processos de condução da fermentação
7- Considerações finais
Introdução - Agentes de Fermentações
Anaeróbicas
Tipo de
Aplicação Produto
Microrganismos
fermentação envolvidos
ALCOÓLICA
Bebidas 
fermentadas
Cerveja
Vinho
Sake
Saccharomyces calrsbergensis
Saccharomyces uvarum 
Saccharomyces; 
Aspergillus orizae
Bebidas 
destiladas
Cachaça
Aguardente de frutas 
Whisky, rum, tequila
Saccharomyces cerevisiae 
Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces cerevisiae
Produtos
químicos
Álcool Saccharomyces cerevisiae
Malo - Láctica Bebidas Vinhos em geral Bacterias: Lactobacillus, 
Leuconostoc
Láctica Alimentos
tradicionais
Queijos, iogurte, leites,
fermentados, manteiga
Lactobacillus e outros, como
Streptococus e Penicillium
Picles, azeitonas, 
chucrute
Leuconostoc mesenteroides
Pescados Pediococcus,
Clostridium botulinum,
Leuconostoc.
Lactobacillus e outros
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Introdução - Agentes de Fermentações
Aeróbicas
Fermentações Aeróbicas
Alimentos Pão, massas Saccharomyces
Reprodução de 
microrganismos
Químicos e 
farmacêuticos
Biopolímeros (plásticos 
biodegradáveis)
Beijerinckia sp
Cosméticos Eritrucelulose Gluconobacter
Condimentos Glutamato 
monossódico
Leveduras selecionadas
Fármacos Penicilina Penicillium notatum
Acética Condimento 
Químico
Vinagre Ácido
acético
Acetobacter aceti 
Acetobacter
pasteurianus
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Agentes de Fermentações e produtos
Figura 1 Produtos da redução microbiana do piruvato. Produtos finais: a) ácido láctico
(Streptococcus, Lactobacillus); b) Clostridium propionicum; c) Leveduras, Acetobacter, Zymomonas,
Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora; e) Clostridia; f) Klebsiella; g) Leveduras; h) Clostridia (ácido
butírico); i) Bactérias do ácido propiônico.
Fonte: adaptada de Stanbury, Whitaker & Hall (2003).
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Agentes de Fermentações e produtos
Glicose
Figura 2 - Produtos finais da fermentação microbiana de açúcares.
Fonte: adaptada de Gaspar (2015).
Fermentação alcoólica
Na fermentação alcoólica, o que é mais importante no
microrganismo?
O microrganismo mais utilizado para produzir é a
levedura da espécie Saccharomyces cerevisiae;
No Brasil, a fermentação alcoólica industrial não é
conduzida sob condições estéreis.
 Microrganismo no processo industrial de produção do álcool
- Leveduras
2. MICROBIOLOGIA DA FERMENTAÇÃO 
ALCOÓLICA
 Microrganismo produtor de álcool e microrganismos
produtores de não-alcoóis.
- Qual microrganismo é o mais interessante para a
produção de álcool, no processo industrial??
- A levedura - Saccharomyces cerevisiae
- Quais são os microrganismos indesejáveis no processo de
produção de álcool? - As bactérias
-Coexistência no processo industrial
Desejável: somente as leveduras
Essa é questão de prova. 
Tem que saber!!.
Isso é questão de vida 
ou morte! Tem que 
saber.
Leveduras  unicelulares, frequentemente
ovais, arredondadas e as elípticas.
- Comprimento: 5 - 16 micrometros
- Largura: 3 - 7 micrometros
- Tamanho: 5 vezes maior que bactérias (observação
ao microscópio – 100 a 400 x).
2. MORFOLOGIA
(1) Parede celular 30% peso seco/célula;
Composição: polímeros de glucana (“celulose”),
manana (“goma”), quitina, lipídeos, fosfatos e
esteróides.
Enzimas extracelulares: invertase, fosfatase, amilo-
pectidases, glucoamilase, etc. (translocação e
desdobramento das fontes para utilização pelo
citoplasma).
(2) Membrana citoplasmática ou plasmalema.
Posição: abaixo da parede celular e delimita em
seu interior todas as microestruturas e o
hialoplasma.
Integridade e estabilidade  cátions inorgânicos
(Mg2+, Ca2+ e K+).
Permeabilidade seletiva (controle de translocação
de compostos do meio externo ao interior da
célula e vice-versa).
(5) Núcleo
Onde está contido o material genético
da célula.
(5) Mitocôndria
pequenas organelas com membrana
dupla com “invaginações internas”
(cristas);
a função é conversão da energia
aeróbica (ATP); síntese de proteínas e
RNA.
(6) Ribossomos
Ligado à síntese protéica.
(8) Vacúolo
Membrana vacuolar  natureza lipoprotéica.
Armazenador temporário polifosfatos e lipídeos enzimas
(7)A reserva de
nutrientes da célula.
Glicogênio, lipídeos,
trealose...
4. REPRODUÇÃO EM LEVEDURAS
(a) brotamento ou gemulação (multiplicação 
vegetativa) 
Reprodução - assexuada -
(b) esporulação (formação de “ascos”)
- sexuados sob estresse -
Figura 4 - Ciclo vegetativo de 
leveduras alcoólicas. (Horii, 1980)
Brotamento
Metabolismo de levedura: catabolismo anabolismo
degradação síntese
do substrato de material
celular
libera uso da energia
energia para síntese
(1) Respiração  oxidação biológica de substratos orgânicos sob sistemas
multienzimáticos que catalizam a oxidação  transporte de elétrons na
cadeia respiratória onde há ativação do oxigênio (aceptor e-) e formação de
água.
(2) Fermentação  reações em que compostos orgânicos atuam como
substratos e como agentes de oxidação, em uma sequencia ordenada de
reações enzimáticas.
respiração
fermentação
Bioquímica da fermentação
Figura 2 - Esquema representando o interrelacionamento das vias de degradação de 
carboidratos e a produção de etanol.
6. DESENVOLVIMENTO DAS LEVEDURAS
- suprimento de nutrientes;
- composição química do meio;
Crescimento populacional - composição física do meio;
da levedura - constituição e estágio de
desenvolvimento dos microrganismos.
Depende (função)
nutrientes;
condição acidez;
do meio temperatura;
aeração;
agitação;
6.1. CINÉTICA
Desenvolvimento ou crescimento  referente aumento populacional (multiplicação celular)
Figura 6 - Fases de crescimento das 
leveduras em fermentação
1 - Lag-fase
2 - Fase de aceleração do crescimento 
3 - Fase exponencial de crescimento
4 - Fase de desaceleração do crescimento
5 - Fase estacionária
6 - Fase de declínio 
células totais
Figura 8 - Efeito da condição ambiental 
sobre o comportamento metabólico em S. 
cerevisiae
Figura 9 - Gráfico de velocidades de 
consumo de açúcar, produção de etanol e 
crescimento de leveduras numa fermentação 
alcoólica
7. Fatores interferentes no metabolismo da levedura
(>16%)
(HORAS)
(<10%)
Questão de vida 
ou morte!!! Tem 
que saber.
(7.1) Influência da glicose
Conc. Glicose >15,0 % (150 g/L) - pode inibir enzimas fermentativas.
Conc. Glicose de 0,3 a 0,75 % - inibição seletiva da respiração.
Conc. Glicose  5% em meio aeróbico  via fermentativa completa, pois
mitocôndria é reprimida e citocromo não funcionam.
Conc. Glicose baixa e oxigênio alto  catabolismo oxidativo / respiração
(não há fermentação) efeito Pasteur
(7.2) Efeito do Oxigênio / Agitação
A moderada aeração (15 a 20 mm/dia) auxilia na suspensão das células
mais do que efeito direto do oxigênio (maior superfície de contato).
É capaz de induzir a respiração, dependendo da concentração de glicose
do meio.
7. Fatores interferentes no metabolismo da levedura
(7.3) Efeito da concentração de Etanol
inibe a atividade metabólica e levando a morte (sem condição de 
sobrevivência);
limite no vinho: 12 % de álcool  variável por: espécie e linhagem de 
leveduras e condições da fermentação.
Figura 10 - Influência do etanol na fermentação.
7. Fatores interferentes no metabolismo da levedura
(7.4) Efeito da temperatura
(a) Influência da temperatura na variação do tempo de geração e do coeficiente
específico de crescimento em uma linhagem da levedura Saccharomyces cerevisiae
Temperatura Tempo de geração (h) Coef. espec. de cresc. g/l/h-1
20 5 0.15
24 3.5 0.21
27 3.0 0.30
30 2.2 0.31
36 2.1 0.29
38 - 0.19
40 4.0 -
Mudança na 
temperatura
-Ideal: 30 a 36 °C
Fatores externos
Clima
T da água
T do mostoFatores 
intrínsecos
Calor liberado na 
fermentação
Segundo a equação de Gay-Lussac para a fermentação alcoólica, tem-se:
C6H12 O6  2 CH3 CH2 OH + 2 CO2 + energia +outros
monossacarídeo etanol gás carbônico
C6H12 O6  2 CH3 CH2 OH + 2 CO2 + 23,5 calorias + outros
180g 2 x 46g 2 x 44 g
180 gramas de ART ---------------- 92 gramas de etanol  x = 51,11 gramas
100 gramas de ART---------------- x gramas de etanol
ou 64,75 mL de etanol a 20º C (densidade do etanol a 20º C = 0,78932 )
Rendimento alcoólico ideal:
Portanto, o rendimento ideal máximo que pode ser atingido é 51,11 %
Contudo, na prática, o máximo que se atinge é 48,55 %, ou seja, 95 % do
rendimento ideal
Fermentação alcoólica e rendimento fermentativo
Fermentação acética
Ácido Acético
CARACTERÍSTICAS
 líquido incolor
 ponto de ebulição: 118,1°C
 baixo ponto de fusão: 16,5°C
 ácido fraco, corrosivo, com cheiro penetrante
USOS
 produção de politereftalato de etila (PET)
 acetato de celulose utilizado na película fotográfica
 acetato de polivinil utilizado na cola de madeira
 para limpeza e desinfecção
 como condimento em saladas ( vinagre )
 como solvente
 síntese de perfumes e corantes
 preparação da seda artificial
 tinturaria, imprensa
 obtenção de sais metálicos para a fabricação de tintas e inseticidas
 produção da aspirina.
 em exames diagnósticos - detectar H.P.V. (Papiloma Vírus Humanus)
Ácido etanóico
Tipos de Vinagre:
 Vinagre Balsâmico (aceto balsâmico): escuro e bastante aromático,
é feito com uvas Trebbiano, selecionadas da região de Modena,
Itália. O autêntico vinagre balsâmico passa por um longo processo
de fermentação feito em barris de madeira. O tempo necessário para
a elaboração do vinagre balsâmico é de, no mínimo, 20 anos
 Vinagre de Vinho: é o mais comum e é elaborado a partir do vinho
tinto ou branco
 Fermentado Acético de Sidra (ou de maçã): obtida a partir do
suco fermentado de uma variedade de maçã. É o menos ácido
 Fermentado Acético de malte: é um produto escuro fermentado,
feito a partir do malte da cevada
Tipos de Vinagre:
 Fermentado Acético de arroz: é o vinagre japonês obtido a partir da
fermentação do arroz. Mais suave e ligeiramente adocicado. O chinês
é mais forte e ligeiramente ácido
 Fermentado Acético de Álcool: o mais forte de todos, apresenta
elevada % de álcool
 Fermentado Acético de Champanhe (ou de cava na Espanha ou de
espumante no Brasil): trata-se de um produto de cor pálida e sabor
elegante, como a bebida da qual procede
 Fermentado Acético de Xerez: produto típico da Espanha possui
sabor delicado e exclusivo
 Fermentados Acéticos Aromatizados: os vinagres podem ser
aromatizados com ervas, especiarias, frutas ou alho
Composição do Vinagre
Vinagre: Matérias-Primas
 Itália, Espanha, França e Grécia China e Japão - vinho e arroz
 Estados Unidos e Inglaterra Alemanha - sidra, malte e álcool
 Brasil - álcool e vinho
Agentes produtores de ácido acético
 Bactérias acéticas pertencem à família Pseudomonodaceae
Principais espécies: Acetobacter aceti, A. pasteurianus, A.
xylinum, A. schützenbachii e Gluconobacter oxydans
Polimorfismo: bastonetes e cocos, Gram negativos
Temperatura: 25°C a 30°C
pH: 3 a 4
Estritamente Aeróbias: na parte superior do mosto é 
formado um véu, "mãe do vinagre“, espessura função da
bactéria
Bioquímica de produção do ácido acético
Figura 10 – Biotransformação envolvida na formação do ácido acético
Rendimento da Fermentação acética
Então: 46 gramas de etanol-----------60 gramas de ácido acético
1 grama de etanol-----------X grama de ácido acético 
X = 1,304 g (rendimento 100%).
 Acetobacter ou Gluconobacter – produção de ácido acético, principal 
componente do vinagre
 transformação do etanol em ácido acético
 1g de etanol pode fornecer 1,304 g de acido acético
Etanol Ácido acético
H3C- CH2OH + O2 H3C-COOH +H2O.
46g 32g 60g 18g
Ácido Lático
CARACTERÍSTICAS
 Isomeria óptica:
Destrógiro: D-ácido lático
Levógiro: L-ácido lático (com atividade fisiológica) 
Racêmico: D,L-ácido lático
 Ponto de fusão: 18°C (racêmico) ; 28°C (D e L)
 Ponto de ebulição: 122°C (racêmico)
 Altamente corrosivo
USOS
 Alimentação de crianças
 Como acidulante em produtos alimentícios
 Removedor de sais de cálcio
 Como mordente para estampar a lã
 Curtimento de peles
 Matéria-prima em sínteses orgânicas (na fabricação de tintas e vernizes, de 
plastificantes e também como solventes)
 Na forma de lactatos são usados na indústria farmacêutica e de cosméticos
 Fabricação de polímeros (biodegradáveis, termoplásticos e transparentes)
Ácido 2-hidroxi-propanóico
Ácido Lático
Fermentação lática: matérias-primas
 Soro do queijo
 Melaço
 Glicose de milho
 Resíduos de elevada DBO (indústrias de papel e polpa de celulose)
Substratos utilizados: glicose, lactose e sacarose
amiláceos (milho, batata e mandioca) - pré-hidrólise enzimática
sais de cálcio, sódio, potássio e magnésio
Agentes fermentativos
As Bactérias Láticas podem ser divididas de acordo com os produtos formados:
1. Bactérias Homofermentativas - importantes na produção do ácido lático
Os primeiros estágios da via metabólica da fermentação lática são os mesmos da 
fermentação alcoólica (via glicolítica).
Intermediário importante: ácido pirúvico (lactato desidrogenase) 
Rendimento energético: 2 moles ATP / mol de glicose
2. Bactérias Heterofermentativas - fermentação da glicose resulta em vários
produtos (ácido lático, oxalacético e fórmico). Degradam a glicose através da via 
oxidativa das pentoses fosfato. Intermediários importantes: ácido pirúvico e o 
aldeído acético.
Rendimento energético: 1 mol ATP / mol de glicose
CH3COCOOH (piruvato) desidrogenase
NADH.H+
CH3CHOHCOOH (ác. lático)
NAD+
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS
 Gram positivas
 Microaerofílicas - incapazes de sintetizar ATP por meio respiratório
 Não esporuladas
 Usualmente não apresentam mobilidade
 Apresentam colônias pequenas e apigmentadas
 Bactérias acidófilas:
 bastonetes - não crescem a pH > 6,0 
 cocos - pH neutro
 pH ótimo para crescimento = 4,5
Lactobacillus bulgaricus
Agentes fermentativos
Microrganismo Carboidrato Temperatura
L. delbrüeckii glicose, galactose () 45 - 50º C
L. bulgaricus glicose, galactose, lactose 45 - 50º C
L. casei glicose, galactose, lactose 30º C
L. leishmanii lactose, galactose () > 30º C
L. brerus (pentoaceticus) glicose, lactose(), galactose () > 30º C
Lactobacillus casei
Lactobacillus delbrueckii
Streptococcus lactis
Agentes fermentativos
• Obtenção de vegetais fermentados: pickles, chucrute, azeitonas,
forragem para gado;
• Gênero Leuconostoc - produção de sabor no chucrute; lacticínios:
iogurtes, leites acidificados, queijos, manteiga;
• Leuconostoc, Streptococcus lactis, S. diacetilactis e L. cremoris: são
usados como fontes de flavorizantes na indústria de lacticínios e
são responsáveis pelas diferentes características conferidas à
manteiga, queijos e iogurtes (produçãode diacetil);
• Carnes curadas: salames e outros embutidos.
IMPORTÂNCIA DAS BACTÉRIAS LÁTICAS 
NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS
Aspectos negativos da presença das bactérias ácido-láticas na
indústria
•Produção de acidez e aromas indesejáveis (diacetil) em: vinhos,
sucos, cervejas e outras bebidas destiladas (Pediococcus perniciosus
e P. damnosus, encontrados na cerveja);
•Deterioração de produtos cárneos, vegetais e frutas;
•Síntese de biopolímeros por Leuconostoc mesenteroides, consome
sacarose: na indústria açucareira, reduzindo o rendimento e
provocando o entupimento de filtros, bombas e tubulações.
IMPORTÂNCIA DAS BACTÉRIAS LÁTICAS 
NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS
Formas de condução de bioprocessos
Existem infinitas formas de se conduzir um reator
biológico, dependendo das características próprias do
microrganismo, meio de cultivo, e dos objetivos específicos do
processo que se pretende executar.
Principais formas de conduzir um processo fermentativo: Processo descontínuo
•com um inóculo por tanque
•com recirculação de células
Processo Semicontínuo
•sem recirculação de células
•com recirculação de células
Processos de condução da fermentação
 Processo descontínuo alimentado
•sem recirculação de células
•com recirculação de células
Processo contínuo
•executado em um reator (com ou sem recirculação de células)
•executado em vários reatores (com ou sem recirculação de 
células)
Processos Biotecnológicos IndustriaisProcessos de condução da fermentação
 Processo descontínuo com um inóculo por tanque
Meio de cultivo Esterilização
REATOR Processo 
biológico
Recuperação do 
produto
Eliminação de 
microrganismo
Este processo é o mais seguro quando se tem problemas
de manutenção das condições de assepsia, pois ao final
de cada batelada pode ser realizada a esterilização do
reator. Recebe um novo meio de cultivo, recebendo um
novo inóculo do microrganismo responsável pelo
processo.
Processos de condução da fermentação
Microrganismo
Formas de condução de bioprocessos
 Processo descontínuo com recirculação de células
Meio de cultivo Esterilização
REATOR Processo 
biológico
Recuperação do 
produto
Recirculação de 
microrganismo
Microrganismo
 Este processo também é chamado batelada repetida.
Processos de condução da fermentação
Formas de condução de bioprocessos
 Processo contínuo com recirculação de células
 Este processo é conduzido com o objetivo de aumentar a
produtividade dos reatores
Meio de cultivo Esterilização
REATOR
R1
REATOR
R2
Recuperação do 
produto
Recirculação do 
microrganismo
Microrganismo REATOR
R3
Processos de condução da fermentação
 Processo contínuo com recirculação de células
Processos Biotecnológicos Industriais
 Reatores contínuos
- Permite Realizar o reciclo de células;
- O líquido fermentado, efluente do reator, pode ser
submetido a um sistema de separação dos microrganismos
(por sedimentação, centrifugação ou separação por
membrana), os quais podem ser retornados aos reatores,
sendo os líquido enviados para recuperação do produto;
- A recuperação pode ser feia a partir de qualquer reator e
retornar àquele que for mais adequado. Isso demonstra a
enorme flexibilidade de operação disponível.
Processos de condução da fermentação
 Processo descontínuo alimentado “FED BATCH”
Processos Biotecnológicos Industriais
 É aquele no qual se imagina inicialmente introduzir o inóculo, o
qual ocupará uma fração do volume útil do reator da ordem de 10 a
20 %, iniciando a alimentação com o meio de cultura, empregando-
se uma vazão adequada, sem a retirada do líquido fermentado.
Aguarda-se completar a fermentação e procede-se a retirada e
recuperação do produto. As células separadas retornam ao
sistema a fim de se iniciar um novo período de alimentação, o que
evita a preparação de novo inóculo.
Nota: a alimentação do reator com vazão constante não é
obrigatória.
Este sistema de condução da fermentação também permite
uma grande flexibilidade operacional no uso do reator.
Processos de condução da fermentação
Formas de condução de bioprocessos
Processos Biotecnológicos Industriais
 O importante em qualquer sistema de condução é que o
componente a ser transformado no substrato seja completamente
consumido e permita a obtenção do máximo de produto. Em alguns
casos, pode-se utilizar dois sistemas para esgotar o substrato.
 Quando se deseja conduzir um processo biotecnológico é
imprescindível que o gerente do processo tenha em mente a
enorme flexibilidade de operação que dispõe o reator.
 A rigor, cabe mencionar que as diferentes formas de conduzir um
processo fermentativo, em princípio, é aplicável a qualquer tipo de
reator, ficando essa flexibilidade mais ou menos dependente do
tipo de reator considerado.
Processos de condução da fermentação
Considerações finais
 As fermentações industriais, utilizando matérias-primas contendo
carboidratos e microrganismos específicos, permitem a obtenção
de diferentes produtos, tais como o etanol, o ácido acético e o
ácido lático;
 A partir de substrato açucarado o produto final depende do
microrganismo utilizado;
 Os microrganismos para o crescimento com alta produtividade e
rendimento, apresentam exigências de composição de substratos e
condições de cultivo ótimas para cada espécie microbiana.
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Referências
1- Bastos, Reinaldo Gaspar. Tecnologia das fermentações : 
fundamentos de bioprocessos / Reinaldo Gaspar Bastos. --
São Carlos : EdUFSCar, 2010. 162 p. -- (Coleção UAB-
UFSCar);
2 - RIBEIRO, C., BLUMER, S., HORII. Fundamentos de
tecnologia sucroalcooleira: tecnologia do açúcar.
Piracicaba: ESALQ/Depto de Agroindústria, Alimentos e
Nutrição, V.2, 1999. 66p.
3 - USHIMA, A.K., RIBEIRO, A.M.M., SOUZA, M.E.P., SANTOS
N.F. Conservação de energia na indústria do açúcar e do
álcool. São Paulo, IPT, 1990. 796p.
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MUITO OBRIGADO PELA ATENÇÃO!!
Prof. Antonio Sampaio Baptista
e-mail: asbaptis@usp.br
Setor de Açúcar e Álcool
LAN/ESALQ/USP