AULA 4 E 5 - TIPOS DE FERMENTAÇÃO, PROCESSOS FERMENTATIVOS E BIOPROCESSOS

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Prof. Me. Marcel de Campos Oliveira
AULA 4
TECNOLOGIA DAS FERMENTAÇÕES 
E PROCESSOS FERMENTATIVOS
FACULDADES INTEGRADAS DE FERNANDÓPOLIS
FARMÁCIA - 6⁰ SEMESTRE
ENZIMOLOGIA 
FERMENTAÇÃO
Processo metabólico que alguns micro-organismos realizam visando sempre a produção de energia e a reprodução celular;
Em grande parte dos casos o substrato utilizado para esta conversão são açúcares (sacarose, glicose, lactose, maltose...);
Entretanto aminoácidos, ácidos graxos, álcoois, entre outros compostos, também são fontes de carboidratos.
FERMENTAÇÃO
Produtos obtidos da fermentação:
Iogurte → Fermentação lática realizada por bactérias denominadas lactobacilos;
Pão/Cerveja/Etanol → Fermentação alcoólica realizada por fungos (LEVEDURAS) que produzem álcool;
Vinagre → Fermentação acética (oxidação parcial do etanol) realizada por bactérias denominadas acetobacter.
ANAEROBIOSE
AEROBIOSE
HISTÓRICO
Habitantes das cavernas → carne envelhecida tem sabor mais agradável que a carne fresca;
Vinho, cerveja, e pão são tão velhos quanto a agricultura. 
Pães foram encontrados nas pirâmides egípcias;
Queijo, que envolve a fermentação de leite ou creme é outra comida muito antiga, sua fabricação na China e no Japão é conhecida há milhares de anos;
O valor medicinal de produtos fermentados é conhecido há muito tempo → Chineses usavam coalho de feijão-soja mofado para curar infecções de pele (3.000 anos atrás); 
Os índios da América Central tratavam feridas infectadas com fungos.
HISTÓRICO
A química das fermentações é uma ciência nova, em suas fases mais iniciais. 
É a base de processos industriais que convertem matérias-primas (grãos, açúcares, e subprodutos industriais) em produtos sintéticos;
Cepas cuidadosamente selecionadas de mofos, leveduras e bactérias, e são usadas. 
1ª indústrias a utilizarem tecnologia de fermentação foram as fábricas de cerveja – final do século XIX e início do século XX que essa tecnologia usada na indústria de bebidas e alimentos, como na indústria química;
Na I Guerra Mundial as necessidades de acetona (na produção de explosivos) estimularam a pesquisa no potencial da tecnologia de fermentação;
HISTÓRICO
Descoberta casual: melão embolorado (Penicillium)
Produzia 10x mais penicilina que o bolor de Fleming cultivado em meio sólido. 
Outros antibióticos apareceram rapidamente.
Importante na indústria farmacêutica.
A cada ano novos produtos são incorporados à lista de produtos derivados da fermentação. 
Riboflavina(B2);
Cianocobalamina(B12);
Ácido ascórbico (Vit. C);
HISTÓRICO
Ácido cítrico - usado em limpadores de metal e como um preservativo e agente de sabor em alimentos 
Fermentação de melado com o mofo Aspergillus niger.  
SUBSTRATOS
Qualquer produto que contenha açúcar ou outro carboidrato é possível de fermentação.
Volume de produção;
Rendimento industrial;
Custo de Produção.
Além da concentração de açúcares, devemos considerar:
Composição de açúcares;
Teor de Macro e Micronutrientes (N, P, Mg, Zn, Mn, K, Na e Ca);
pH e poder-tampão do substrato a ser adicionado (3,5-6,2);
Teor de Sólidos Insolúveis;
Presença de compostos tóxicos ou inibidores da levedura;
Viscosidade e tensão superficial do substrato;
Agregar algum insumo ou pré-tratamento mais caro;
Fornecimento constante.
As matérias-primas são classificadas em:
Matérias açucaradas:
Ex: cana-de-açúcar, beterraba açucareira, sorgo sacarino, melaços, mel de abelha e frutas.
Matérias amiláceas e feculentas:
Ex: grãos amiláceos, raízes e tubérculos.
Matérias celulósicas:
Ex: palhas, madeiras, resíduos agrícolas e resíduos sulfíticos de fábricas de papel.
MATÉRIAS-PRIMAS AÇÚCARADAS	
Divididas em:
Diretamente fermentescíveis:
Glicose
Frutose
Não diretamente fermentescível:
Sacarose
Cana-de-açúcar
Uva
Leite
Melaço de Cana
Mel de Abelhas
Frutas
MATÉRIAS-PRIMAS AMILÁCEAS
 E FECULENTAS
Amido
Enzima
Glicose
Frutose
MATÉRIAS-PRIMAS CELULÓSICAS
Celulose
Lignina
Bagaço de cana/sorgo
Palha da cana
Madeira
Palha de arroz
BAGAÇO E PALHA DA CANA
1 ton Cana
250 kg Bagaço
250 kg Palha
200 kg Energia
50 kg Etanol
250 kg Etanol
1 ton Bagaço 200L Etanol
BAGAÇO E PALHA DA CANA
Ácida
Enzima
Celulose
Glicose
Frutose
BAGAÇO E PALHA DA CANA
Atualmente somente a hidrólise ácida está desenvolvida (DHR – Dedini Hidrólise Rápida);
A hidrólise enzimática é alvo de estudos por empresas de pesquisas de todo o mundo.
MICRO-ORGANISMOS
MICRO-ORGANISMOS
Bactérias:
Exploradas industrialmente para acumular produtos intermediários e finais do metabolismo;
São uma rica fonte de produção de enzimas.
Fungos:
2 grandes grupos: bolores e leveduras;
Vírus:
A cultura de vírus para testar drogas antivirais e para a produção de vacinas - importante empreendimento industrial.
FONTES DE MICRO-ORGANISMOS 
DE INTERESSE
Isolamento a partir de recursos naturais;
Compra em coleções de cultura;
Obtenção de mutantes naturais;
Obtenção de mutantes induzidos por métodos convencionais;
Obtenção de micro-organismos recombinantes por técnicas de engenharia genética.
CARACTERÍSTICAS DESEJÁVEIS 
DE MICRO-ORGANISMOS
Elevada eficiência na conversão do substrato em produto;
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 substratos dispendiosos;
Permitir a rápida liberação do produto para o meio.
EXEMPLO DOS MICRO-ORGANISMOS 
MAIS UTILIZADOS NA BIOTECNOLOGIA
Saccharomyces cerevisiae
Lactobacillus
Aspergillus niger
Pichia pastoris
Penicilium
Acetobacter
BIOPROCESSOS
AULA 5
PROCESSOS FERMENTATIVOS
Bioprocessos: São processos que procuram preservar ou transformar materiais biológicos de origem animal, vegetal e microbiológico e/ou em produtos de interesse comercial e econômico.
Processos fermentativos: micro-organismos naturalmente ocorrentes ou recombinantes;
Processos com células animais ou vegetais;
Processos enzimáticos;
Biotratamentos de resíduos/efluentes.
PROCESSOS FERMENTATIVOS
Processos fermentativos ou biológicos: Transformação realizada pelos micro-organismos (biocatalisadores). Os mo´s metabolizam o composto químico. Ocorre quando o mo’s se reproduz, a partir de uma fonte apropriada de nutrientes. Pode ser anaerobiose ou aerobiose.
MEIO
Composição (substratos, nutrientes);
Fonte de carbono, nitrogênio e fósforo;
Outros elementos (Na, K, Ca...);
Vitaminas.
Laboratório.
Industrial (matéria-prima).
ESQUEMA SIMPLIFICADO 
DO METABOLISMO CELULAR
BIOPROCESSOS VS. PROCESSOS QUÍMICOS
PROCESSO FERMENTATIVO – ETAPAS E PONTOS BÁSICOS
Micro-organismo
Preparo do inóculo
Fermentador
Nutrientes
Preparo do meio
Esterilização do meio
Controles
Esterilização do ar
Ar
Recuperação do produto
Produto
Resíduo
PROCESSOS FERMENTATIVOS
Produção de bebidas alcoólicas (cerveja, vinho, sidra, aguardente);
Vinagres;
Etanol;
Enzimas;
Ácidos orgânicos;
Solventes (butanol, acetona);
Vitaminas;
Antibióticos;
Polissacarídeos;
Aminoácidos.
Exemplos:
ESCALA DE PRODUÇÃO DE BIOPROCESSOS
PROCESSOS FERMENTATIVOS
Seleção de micro-organismos de interesse:
Bactérias e Fungos – classificados em relação a estrutura celular;
Classificação em relação a nutrição – fonte de energia e carbono (heterotróficos – requerem fonte de carbono, autotróficos – usam CO2);
Compra em coleções de culturas (FIOCRUZ, Embrapa, etc.).
Isolamento a partir de recursos naturais (solo, água, plantas).
Obtenção de mutantes naturais ou induzidos.
MATÉRIAS-PRIMAS PARA INDÚSTRIA DE BIOPROCESSOS
Matéria-prima: Fonte de substrato para determinado bioprocesso, podendo ser de natureza orgânica (produtos ou resíduos agrícolas) ou inorgânicas (CO2, minérios).
Substrato: É a substância química cuja estrutura ou parte da mesma está presente na molécula do produto, podendo ser de natureza orgânica ou inorgânica.
Insumo: É um componente essencial do meio, indiretamente relacionado à formação do produto. Fonte de sais minerais e vitaminas.
MATÉRIAS-PRIMAS PARA INDÚSTRIA DE BIOPROCESSOS
Matéria-prima
Substrato
Produto
Sacaríneas
Sacarose
Glicose, frutose
Amiláceas
Amido
Glicose
Celulósica
Hemicelulose
Celulose
Xilose
Manose
Glicose
MATÉRIAS-PRIMAS PARA INDÚSTRIA DE BIOPROCESSOS
Matéria-prima/Tipos:
PRINCIPAIS MATÉRIAS-PRIMAS GLICÍDICAS E SEUS SUBSTRATOS CORRESPONDENTES
MATÉRIAS-PRIMAS ALCOÓLICAS
Vinagres de suco de frutas: uva (vinagre de vinho branco e tinto), maçã, pera, acerola, banana, laranja;
Vinagres de tubérculos amiláceos: batata, mandioca;
Vinagres de cereais: cevada, centeio, trigo, arroz;
Vinagres de matérias-primas açucaradas: xarope de açúcar, mel, soro de leite, caldo de cana;
Vinagres de álcool: aguardente, álcool propriamente dito – necessitam de adição de nutrientes.
VÍDEO: VINAGRE DE MAÇÃ
TIPOS DE FERMENTAÇÃO
Fermentação submersa ou líquida;
Fermentação semi-sólida;
Fermentação sólida.
Fermentação líquida: meio de cultivo com água livre (Aa =/- 1,0); geralmente com substrato solúvel.
Fermentação semi-sólida ou em estado sólido: crescimento ocorre sob uma matriz sólida, com baixa Aa, úmido.
DESENVOLVIMENTO DOS AGENTES 
DE FERMENTAÇÃO E ESTADO FÍSICO 
DO SUBSTRATO
Substrato líquido 
Superfície. 
Profundidade (submerso). 
Substrato sólido ou semi-sólido
Fermentação em estado líquido:
De grande quantidade de água;
Tanques de fermentação;
Aumento de escala para muitos produtos limitados pelo processo de fermentação em meio sólido;
Álcool etílico; bebidas alcóolicas; antibióticos; vitaminas; vacinas; enzimas; insulina e muitos outros.
Vantagens:
Medição e controle de pH, temperatura, oxigênio, produto substrato; 
Separação e purificação do produto; 
Maior facilidade de se ter um processo contínuo e automatizado.
Meio líquido e na superfície:
Biomassa situa-se na superfície do meio líquido, em contato direto com o ar atmosférico;
A difusão e a relação entre a área e o volume de meio têm papel importante em bioprocessos operados em superfície;
Operação difícil e são considerados antieconômicos;
Usados em processos com fungos filamentosos;
CULTIVO SUPERFICIAL
Meio líquido submersos:
Micro-organismo produtor se desenvolve no interior do meio de fermentação (com agitação);
A maioria das fermentações industriais importantes;
Vantagens:
Podem-se manipular, com maior facilidade;
A massa fica totalmente submersa no meio nutriente de maneira uniforme; 
A absorção de nutrientes e excreção de metabólitos são executadas com maior eficiência; 
menores tempos de fermentação, melhor produtividade.
CULTIVO SUBMERSO
Fermentação em estado sólido:
A cultura de micro-organismos sob ou no interior de partículas em matriz sólida;
Suporte sólido atua também como fonte de nutrientes.
Os substratos tradicionalmente utilizados são: 
Arroz, trigo, cevada, milho e soja;
Resíduos agroindustriais e florestais (bagaço de cana-de-açúcar, o sabugo de milho, o farelo de trigo e a palha de arroz).
Custos de produção associados diretamente;
Operação pode ser realizada sem agitação mecânica, com agitação ocasional ou contínua em reatores
EQUIPAMENTOS - BIORREATORES
Reatores de fase líquida:
Células/enzimas livres: reatores agitados mecanicamente, reatores agitados pneumaticamente (colunas de bolhas, fluxo pistonado).
Células/enzimas imobilizadas em suportes: leito fixo, leito fluidizado.
Células/enzimas confinadas em membranas: reatores com membranas planas, reatores com fibra oca.
Reatores de Fase semi-sólida ou sólida:
1. Reatores estáticos (bandejas).
2. Reatores com agitação (tambor rotativo).
3. Reatores de leito fluidizado gás-sólido.
4. Reatores de leito fixo.
a) Agitados mecanicamente
b) Colunas de bolhas
c) “Air lift”
d) Fluxo pistonado
e) Leito fixo
f) Leito fluidizado
g) Membranas planas
h) Fibra oca
TIPOS DE FERMENTAÇÃO
Operações do reator:
Descontínuo: com um inóculo por tanque ou com recirculação de células; 
Semi-contínuo: sem recirculação de células ou com recirculação de células
Descontínuo alimentado: sem recirculação de células ou com recirculação de células
Contínuo: Executado em um reator ou executado em vários reatores
Descontínua ou Batelada
Descontínuo alimentado ou
semi-contínuo
TIPOS DE FERMENTAÇÃO
Batelada simples
Quanto a condução:
Batelada contínua
MUITO OBRIGADO, PELA ATENÇÃO!
Prof. Me. Marcel de Campos Oliveira
E-mail: marceloliveira.oliveira@yahoo.com.br