Aula 5 - Introdução a processos fermentativos

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INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
Profª Drª Maria Luiza Gonçalves
1. INTRODUÇÃO
- Microrganismos
• decompositores de alimentos;
• fermentação de alimentos e bebidas.
- Vinho e vinagre – 10.000 AC;
- Cerveja – 5.000 – 6.000 AC - Egito;
- Pão – 4.000 – 7.000 AC – Egito;
- Queijo e leite fermentado – 5.000 AC
- Soja fermentada – 3.000 AC - China
1. INTRODUÇÃO
- Muitos alimentos devem sua produção e suas
características às atividades fermentativas dos
microrganismos;
- Produtos como queijos maturados, chucrutes,
lingüiça fermentada – vida de prateleira maior que
a matéria–prima da qual eles foram feitos;
- Alimentos fermentados possuem aroma e sabor
característicos que resultam direta ou
indiretamente dos organismos fermentadores.
1. INTRODUÇÃO
Importância dos processos fermentativos na indústria
de alimentos:
Produtos Microrganismos
Queijo Bactérias e fungos
Iogurtes Bactérias láticas
Manteiga Bactérias láticas
Bebidas Leveduras e fungos
Produtos de Panificação Leveduras
Picles, azeitonas e chucrutes Bactérias lácteas
Carnes fermentadas Bactérias láticas
Vinagre Bactérias acéticas
Aromas Fungos
Proteínas unicelulares Fungos, leveduras e bactérias
Soja fermentada Fungos, leveduras e bactérias
1. INTRODUÇÃO
Importância dos processos fermentativos na indústria
química, farmacêutica e na agricultura:
- Etanol: químico, doméstico, carburante;
- Ácidos orgânicos: cítrico, lático, acético, etc.;
- Solvente: acetona, butanol, etc.;
- Enzimas: amilases, proteases, lipases,
pectinases, lactase, entre outras;
- Vitaminas: ergosterol, ácido ascórbico, etc.;
- Antibióticos: penicilina;
1. INTRODUÇÃO
- Tratamento de resíduos agroindustriais;
- Fixadores de nitrogênio – Rhizobium;
- Aminoácidos: lisina, triptofano;
- Gomas: dextrânio, xantana, etc.;
- Controle biológico de pragas;
- Silvicultura: fungos ectomicorrízicos
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Matérias-primas
Meio de cultura 
selecionado
Esterilizaçã
o
Ar
Compressor
Esterilização 
do ar
Separação 
das células
Caldo 
fermentado
Recuperação 
do produto
Produto Tratamento 
de efluentes
Biorreator
industrial
Microrganismo 
selecionado
Preparo do 
inóculo
Preparo do 
inóculo: 
etapa 
industrial
2. PROCESSO FERMENTATIVO
O sucesso de um dado processo fermentativo
depende principalmente de:
 microrganismo;
 meio de cultura;
 forma de condução do processo
fermentativo;
 etapas de recuperação do produto.
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Microrganismo
Os microrganismos de interesse industrial podem
ser obtidos basicamente das seguintes formas:
 Isolamento a partir de recursos naturais
 Muito trabalho experimental;
 Custo elevado;
 Descoberta de novos produtos.
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Microrganismo
 Compra em coleções de cultura;
 Existência de muitas coleções de cultura em
vários países;
 Pode-se citar: Agricultural Research Service
Culture Collection (EUA) – NRRL Culture
Collection (http:/nrrl.ncaur.usda.gov) –
Coleção de culturas tropical
(http´:/www.cct.org.br);
 Produção de um dado antibiótico não estará
disponível na coleção de cultura.
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Microrganismo
 Obtenção de mutantes naturais:
 Surgimento de mutantes naturais na
proliferação de células;
 Não são interessantes no que tange ao
processo fermentativo, mas podem gerar
linhagens de interesse;
 Sua obtenção pode demandar muito tempo.
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Microrganismo
 Obtenção de mutantes induzidos por técnicas
convencionais:
 Suspensões de células ou esporos a
radiações ultravioleta ou a substâncias
químicas mutagênicas;
 Penicillium chrysogenum – obtenção de
penicilina – década de 40 ( 100 unidades /
cm3) década de 70 (51.000 unidades / cm3).
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Microrganismo
 Obtenção de microrganismos recombinantes
por técnicas de engenharia genética:
 Introdução de fragmentos de DNA de certas
células em outras - Plasmídeos
A B C D ... P
Identificação de genes que codificam a síntese
das enzimas – inserção desses genes em
plasmídeos e voltá-los a célula produtora.
a b c d o
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Microrganismo
 Obtenção de microrganismos recombinantes
por técnicas de engenharia genética:
 Produção de cefalosporina C por
Cephalosporium acremonium;
 produção de substâncias por células que
naturalmente não as produzem;
 codificação para a síntese de glicoamilase
de Aspergillus em células de Saccharomyces
cerevisiae.
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de microrganismos para
aplicação industrial
 Elevada eficiência na conversão do substrato
em produto:
 matérias-primas incidem significativamente
nos custos de produção – 38 a 73% do custo
total (fonte orgânica de carbono).
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de microrganismos para
aplicação industrial
 Permitir o acúmulo do produto no meio, de
forma a se ter elevada concentração do produto
no caldo fermentado:
 Sem sofrer inibição pelo acúmulo – custos
de recuperação;
 Fermentação alcoólica – inibição da
levedura em torno de 8 a 10 % (em volume)
em etanol.
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de microrganismos para
aplicação industrial
 Não produzir substâncias incompatíveis com o
produto:
 Produção de glicosidase – alguns
microrganismos também produzem a
transglicosidase;
 Desinteresse pelo processo produtivo;
 Dificuldade na recuperação do produto.
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de microrganismos para
aplicação industrial
 Apresentar estabilidade quanto ao
comportamento fisiológico:
 conhecimento de suas técnicas de
conservação;
 manutenção da sua produção durante todas
as etapas do processo fermentativo;
 Células que privilegiem o crescimento em
detrimento do acúmulo de produto.
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de microrganismos para
aplicação industrial
 Não ser patogênico;
 manipulação sem riscos ambientais,
principalmente no término do processo
fermentativo;
 cultivos de patogênicos exigem cuidados
adicionais (câmaras assépticas).
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de microrganismos para
aplicação industrial
 Não exigir condições de processo muito
complexas:
 economicidade de produção;
 microrganismo apresente uma faixa de
valores ótimos para produção do produto e
não valores pontuais;
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de microrganismos para
aplicação industrial
 Não exigir condições de processo muito
complexas:
 microrganismos que apresentem bom
desempenho em pequenas concentrações de
oxigênio dissolvido;
 Microrganismos que excretem proteínas –
formação de espuma (aumento nos custos de
produção – antiespumante).
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de microrganismos para
aplicação industrial
 Não exigir meios de cultura dispendiosos:
 economia do processo produtivo;
 estudo e conhecimento das necessidades
nutricionais de um determinado
microrganismo;
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de microrganismos para
aplicação industrial
 Permitir a rápida liberação do produto para o
meio:
 sem inibição pela retenção do produto;
 separação do microrganismo (centrifugação
ou filtração);
 As condições de cultivo podem interferir na
excreção de um determinado produto – ex:
pH na excreção de glicoamilase.
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de meios de cultivo
 Ser o mais barato possível:
 desde que atenda as necessidades do
microrganismo.
 Atender às necessidades nutricionais do
microrganismo:
 permitir a obtenção do produto.
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de meios de cultivo
 Auxiliar no controle do processo – variações de
pH e formação de espuma:
 utilizar componentes que auxiliem no
controle de pH (uréia);
 Fonte de carbono (glicose, sacarose,
frutose, polissacarídeos, etc.);
 Fonte de nitrogênio(NH4)2SO4, fonte de
fósforo e ainda outros elementos (Na, K,
Fe...);
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de meios de cultivo
 Auxiliar no controle do processo – variações de
pH e formação de espuma:
 meios de composição definida ou sintéticos;
 os meios sintéticos são estáveis e evitam
problemas quanto a recuperação dos
produtos.
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de meios de cultivo
 Não provocar problemas de recuperação do
produto:
 utilizar meios de composição definida;
 utilização de extrato de carne, extrato de
malte e de levedura.
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de meios de cultivo
 Os componentes devem permitir algum tempo
de armazenagem, a fim de estarem disponíveis o
tempo todo:
 extratos de levedura, carne e peptona de
soja – composição variável ao longo do
tempo.
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de meios de cultivo
 Ter composição razoavelmente fixa:
 matérias-primas naturais – cana-de-açúcar,
melaços, farinhas;
 composição química desconhecida e
variável (variedade, solo, safra, clima, etc.);
2. PROCESSO FERMENTATIVO
Características desejáveis de meios de cultivo
 Não causar dificuldades no tratamento final do
efluente:
 Apesar de serem mais baratas, as matérias-
primas naturais podem causar problemas
adicionais no tratamento de efluentes.
Processos
Fermentativos
CONCEITOS
Reações químicas x Reações Bioquímicas
• Processos químicos: Realizado entre compostos químicos
usando-se catalisadores químicos.
• Processos Enzimáticos: Transformação química realizada
por catalisadores biológicos (enzima) na ausência de
seres vivos.
• Processos Fermentativos ou biológicos: Transformação
realizada pelos microrganismos (biocatalisadores). Os
mo´s metabolizam o composto químico.
Processos Fermentativos
ETAPAS DO PROCESSO
Processos
Fermentativos
AGENTES DA FERMENTAÇÃO
Definição 
Características
• Apresentar elevada eficiência na conversão de um dado 
substrato.
• 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.
Processos
Fermentativos
AGENTES DA FERMENTAÇÃO
Características
• Não exigir condições de processo muito complexas
• Não exigir meios de cultura dispendiosos
• Permitir a rápida liberação do produto para o meio
Culturas puras e consórcio 
Conservação (genética) 
Quantificação
Processos
Fermentativos
INÓCULO
Definição 
Ativação/
Propagação
Processos
Fermentativos
INÓCULO
Tipo
• Cada dorna recebe 
um inóculo.
• Processo por meio 
de cortes.
Processos
Fermentativos
INÓCULO
Tipo
• Processo com recirculação do microrganismo.
Controle (idade/pureza)
Processos
Fermentativos
MEIO
Composição (substratos, nutrientes)
• Fonte de carbono
• Fonte de nitrogênio
• Fonte de fósforo
• Outros elementos (Na, K, Ca...)
• Vitaminas
Laboratório
Industrial (matéria-prima)
Processos
Fermentativos
MEIO
Matéria-prima
• Tipos
AMILÁCEAS SACARÍNEAS CELULÓSICAS
GLICOSE FRUTOSE
AMIDO SACAROSE CELULOSE
Processos
Fermentativos
MEIO
Matéria-prima
• Definição/ Escolha
• Tipos
 Sacaríneas
Caldo de cana-de-açúcar 
Melaço
Suco de frutas 
Leite
Soro de leite 
Licor sulfídrico
Vinhato ou vinhaça
Processos
Fermentativos
MEIO
Matéria-prima
• Tipos
 Sacaríneas
Caldo de cana-de-açúcar
0,3-0,5
1,0-1,2
0,5-1,0
0,1-0,3
78-86
10-20
0,1-2,0
Água 
Sacarose
Glicose/ Frutose
Cinzas (K2O, SiO2, CaO, 
Na2O, MgO, P2O5, Fe2O3)
Ácidos orgânicos 
Compostos nitrogenados
Gomas, ceras, gorgduras
Concentração (g/100 mL)Componente
~ 19ºBrix
Cana-de-açúcar
Lavagem
Picador
Desfibrilador
Moagem
bagaçocaldo
Processos
Fermentativos
MEIO
Matéria-prima
• Tipos
 Sacaríneas
Melaço
Suco de frutas
Melaço
Gomas, ceras, gorgduras
8-10
0,05
7-9
7-8
18-22
32-34
14-16
16-18
Água 
Sacarose 
Glicose 
Frutose
Cinzas (K2O, SiO2, CaO, 
Na2O, MgO, P2O5, Fe2O3)
Ácidos orgânicos 
Compostos nitrogenados
Concentração (g/100 mL)Componente
~ 80ºBrix
Componente Concentração (g/100 mL)
Água 65-85
Glicose/ Frutose 12-25
Ácidos orgânicos 4-15
Compostos nitrogenados 0,3-1,0
Minerais 0,1-0,3
Maçã
Processos
Fermentativos
MEIO
Matéria-prima
• Tipos
 Sacaríneas
Leite
Soro de leite 
Licor sulfídrico
Vinhato ou vinhaça
Concentração (g/100 mL)Componente
Soro de Leite
Água 93
Proteína 0,9
Gordura 0,3
Lactose 5,1
Cinza 0,6*10-3
Cálcio 51*10-3
Fósforo 53*10-3
Vitaminas 0,3*10-3
Leite
Componente Concentração (g/100 mL)
Água 87
Proteína 3,5
Gordura 3,8
Lactose 5,0
Cinza 0,7
Processos
Fermentativos
MEIO
Matéria-prima
• Tipos
 Amiláceas
Grãos/cereais: Trigo, Milho, Cevada, centeio, arroz 
raízes/Tubérculos: Mandioca, Batata, Batata doce
Amido
Processos
Fermentativos
MEIO
Matéria-prima
• Tipos
 Amiláceas
Amilose
Amilopectina
Hidrólise: Uso de enzimas Ligações -1,4 (-amilase, -amilase)
Ligações -1,6 (exopululanases, pululanases e isoamilases) 
Ligações -1,4 e -1,6 (glucoamilases)
Produtos: glicose, maltose, dextrinas
Processos
Fermentativos
MEIO
Matéria-prima
• Tipos
 Celulósicas
Subprodutos da indústria de madeiras 
Bagaços
Casca de frutas 
Sabugo de milho
Resíduos agrícolas
Processos
Fermentativos
MEIO
Matéria-prima
• Tipos
 Celulósicas
Hidrólise: Aquecimento com ácidos orgânicos (70 ou 150 ºC)
Uso de enzimas do complexo celulítico (endo e exoglucanases,
 glicosidase)
Produtos: glicose, celobiose, oligossacarídeos
Processos
Fermentativos
MEIO
Matéria-prima
• Tipos
 Não -convencionais
Frações do petróleo 
Lixo
Águas residuais de matadouros
FATORES EXTERNOS
Condições de cultivo
• pH
• Temperatura
Processos
Fermentativos
FATORES EXTERNOS
Condições de cultivo
• Oxigênio
• Produto
• Inibidores/Ativadores
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS
Quanto a condução
• Batelada simples
Processos
Fermentativos
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS
Quanto a condução
• Batelada alimentada convencional ou cíclica
• Batelada por cortes
Processos
Fermentativos
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS
Quanto a condução
• Recuperação do inóculo
• Contínuo
Processos
Fermentativos
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS
Quanto ao crescimento do agente
• Superfície
• Submerso
Quanto ao suprimento de oxigênio
• Aeróbio (natural ou forçado)
• Anaeróbio
Processos
Fermentativos
ACOMPANHAMENTO E CONTROLE
Estado do sistema
Controle (atividade máxima)
Variáveis (pH, temperatura, oxigênio, S, P, espuma, 
contaminantes...)
Processos Fermentativos
EQUIPAMENTOS
Processos Fermentativos
EQUIPAMENTOS
Processos Fermentativos
EQUIPAMENTOS
Biorreator de bancada
Fermentador de 300 litros
Fermentador de 1500 litros
Fermentador de 3000 litros
Fermentação alcoólica
Produção de pão
PRODUÇÃO DE VINHO
PRODUÇÃO DE VINHO
PRODUÇÃO DE CERVEJA
PRODUÇÃO DE CERVEJA
Fermentação acética
PRODUÇÃO DE VINAGRE
Fermentação láctica
PRODUÇÃO DE IOGURTE
PRODUÇÃO DE QUEIJO
Fermentação e alimentos
h
tt
p
:/
/w
w
w
.c
ie
n
ti
c.
co
m
/t
em
a_
al
im
en
to
s_
p
p
2
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tm
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