Bioprocessos: Enzimas e Biocatalisadores

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BIOPROCESSOS 
AULA 6 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof.ª Maria Alice Witt 
 
 
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CONVERSA INICIAL 
Olá, aluno(a). Seja bem-vindo(a)! Nesta aula, discutiremos aspectos 
comumente presentes e que são importantes no contexto desta disciplina, como 
enzimas, ácidos, solventes, detergentes, papel e celulose. 
Os conteúdos apresentados trazem informações que vão auxiliá-lo a 
construir conhecimentos que podem resultar no aprimoramento de bioprocessos, 
resultando em produtos com maior grau de pureza, maior rendimento, em menos 
tempo etc. Muitas vezes os temas a seguir encontram-se implícitos dentro dos 
demais vistos até o momento e, quem sabe, por isso, seja importante reforçá-los 
aqui nesta aula. 
Procuramos iniciar a discussão de cada tema resgatando aspectos, 
muitas vezes, de química básica. O intuito não é que você se preocupe com a 
profundidade dos conceitos de química, mas que eles possam servir de base 
para a discussão biotecnológica que se segue. Esperamos que você se sinta 
deslumbrado pela versatilidade e pela eficiência das enzimas (biocatalisadores 
extremamente eficientes – estamos vivos, boa parte, graças a elas!), pela 
utilidade dos ácidos no ajuste dos bioprocessos e também presentes em 
produtos do dia a dia, pela importância do solventes e por sua potencial 
bioprodução, além da função dos detergentes (surfactantes) em processos 
simples e mais complexos do dia a dia. Por último, voltamos a discutir sobre o 
biopolímero celulose, suas incríveis propriedades e como pode ser obtido de 
bactérias. 
TEMA 1 – ENZIMAS 
Quando planejamos uma reação química, automaticamente pensamos 
nas condições experimentais necessárias, ou mesmo obrigatórias, 
(concentração dos reagentes, temperatura, grau de agitação etc) para que a 
obtenção dos respectivos produtos seja alcançada com êxito. Dentro deste 
cenário, algumas vezes, é possível utilizar espécies químicas adicionais, 
denominadas catalisadores, que têm como principal função acelerar a reação 
graças à diminuição da energia (energia de ativação, Ea) característica de uma 
dada reação química (Figura 1). Isso quer dizer que, ao diminuir a Ea da reação 
(barreira energética para rompimento de ligações e formação de novas), o 
catalisador permite que os produtos sejam formados mais rapidamente. É 
 
 
3 
importante salientar que os catalisadores não são classificados nem como 
reagentes nem como produtos, pois, mesmo contribuindo para que a reação 
ocorra, não são consumidos ao longo desse processo, sendo assim recuperados 
e reutilizados em uma nova reação (Kotz et al., 2016; Atkins; Jones; Laverman, 
2018). 
Figura 1 – Ação do catalisador, diminuindo a energia de ativação (Ea) em reações 
químicas 
 
Créditos: RKTZ/Shuttestock. 
No contexto de bioprocessos, podemos associar a discussão do parágrafo 
anterior ao uso de biocatalisadores, com função similar à dos catalisadores 
químicos tradicionais. As enzimas são biocatalisadores utilizados em muito 
bioprocessos conhecidos, seja na forma livre, seja como parte da composição 
natural de microrganismos. Uma classe de bioprocessos que tem grande 
relevância industrial e faz uso de enzimas são os processos fermentativos, que 
ora utilizam enzimas como parte do pré-tratamento da biomassa na conversão 
de macromoléculas em moléculas mais biodisponíveis (menores), ora como 
parte integrante de leveduras e bactérias (microrganismos) que convertem os 
 
 
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açúcares disponíveis em etanol, CO2 e outros subprodutos (Moran et al., 2013; 
Nelson; Cox, 2019) 
1.1 Por que as enzimas atuam como biocatalisadores? 
Enzimas são macromoléculas biológicas com alta massa molar cuja 
estrutura química é constituída de várias unidades de aminoácidos (AA) ligadas 
covalentemente entre si. Vale reforçar aqui que os aminoácidos (AA) são 
biomoléculas menores que apresentam simultaneamente os grupos amino 
(−NH2) e ácido carboxílico (−COOH) ligados a um mesmo átomo de carbono (2 
das 4 ligações possíveis). A união das muitas unidades de aminoácidos 
(denominados blocos de construção) ocorre por meio de ligações químicas 
conhecidas como ligações peptídicas (Figura 2, o grupo amino, −NH2, de um 
aminoácido reage com a carbonila do grupo ácido, −COOH, de outro aminoácido 
vizinho resultando nesta ligação covalente). Quando essa reação ocorre, muitas 
vezes temos macroestruturas químicas muito longas e grandes 
(macromoléculas), cuja composição e ordem dos aminoácidos ligados dão 
origem a uma ampla diversidade de enzimas possíveis. Com base nessa 
descrição, você pode se lembrar da definição geral das proteínas, das quais as 
enzimas são um subgrupo (Moran et al., 2013; Nelson; Cox, 2019). Ou seja, 
toda enzima é uma proteína, mas nem toda proteína é uma enzima. Por que 
isso? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 2 – Representação união (ligação peptídica) entre dois AA a partir da 
reação entre o grupo amino de um (à esquerda) com o grupo carboxílico de outro 
(à direita) 
 
 
Créditos: Firatturgut/Shutterstock. 
 Como já vimos no início deste tema, as enzimas são biocatalisadores 
utilizados para acelerar reações químicas (em muitas ordens de grandeza) e, por 
conta disso, apresentam na sua estrutura regiões químicas ativas que 
contribuem diretamente com a reação. Essa região química ativa composta de 
uma sequência específica de aminoácidos (AA) é denominada de sítio ativo, e 
cada enzima pode apresentar um ou mais desses sítios. O que torna as enzimas 
ainda mais interessantes é que, devido à ordem especial com que os 
aminoácidos se ligam entre si, cada sítio ativo (e consequentemente, a enzima) 
é responsável por um tipo muito particular de reação química. Pode-se chamar 
isso de especificidade e é por isso que temos uma diversa lista de enzimas 
disponíveis sendo utilizadas para bioprocessos específicos. O Quadro 1 
apresenta as 6 classes gerais de enzimas e o tipo de reação química em que 
atuam como catalisadores. Preste atenção que a maioria das enzimas apresenta 
como parte do seu nome o sufixo ase associado do substrato ou o tipo de reação 
envolvida (Moran et al., 2013; Nelson; Cox, 2019). 
 
 
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Quadro 1 – Exemplos de enzimas classificadas de acordo com o tipo de reação 
química em que atuam como biocatalisadores 
Classe da enzima Tipo de reação que catalisa Exemplo 
Oxidorredutases oxidação-redução Lactato desidrogenase 
Transferases 
transferência de grupos (na 
presença de coenzimas) 
Alanina transaminase 
Hidrolases hidrólise Pirofosfatase 
Liases quebra (lise) Piruvato descaboxilase 
Isomerases 
isomerização (alterações 
estruturais) 
Alanina racemase 
Ligases ligação (união) Gluatamina sintetase 
Fonte: elaborado com base em Moran et al., 2013. 
A descrição inicial das enzimas como macromoléculas ainda não explica 
completamente seu comportamento durante um bioprocesso. Para isso, é 
preciso entender como estas macromoléculas se organizam espacialmente. 
Retome mentalmente a ideia de uma enzima sendo composta por muitas 
unidades de aminoácidos ligados entre si, sendo que cada aminoácido 
apresenta uma característica química específica graças a um grupo lateral R 
conectado no átomo de carbono central (mais 1 das 4 ligações possíveis citadas 
no primeiro parágrado deste item). Para auxiliá-lo nesta visualização, a Figura 3 
traz os 22 aminoácidos principais e seus respectivos grupos laterais R. Observe 
atentamente a estrutura geral de um aminoácido (AA) mostrada no início da 
Figura 3: 1 átomo de C faz 4 ligações: 1 destas é o grupo amino, 1 o grupo 
carboxílico, 1 representa um átomo de H e a última este grupo R que pode variar 
– inclusive, isto diferencia os vários AA (Moran et al., 2013; Nelson; Cox, 2019). 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 3 – Estrutura química geral de um AA e os respectivos 22 AA existentes, 
com grupos laterais R específicos 
 
Créditos: Chromatos/Shutterstock. 
O foco deste tema não é propor a memorizaçãode cada um dos 
aminoácidos, mas chamar a atenção para as características de hidrofilicidade 
(afinidade com água), hidrofobicidade (sem afinidade com água), grupos polares 
(densidade de carga, e-) ou ainda grupos iônicos (que apresentam carga fixa 
positiva e/ou negativa) que seus grupos laterais R apresentam. Neste ponto, 
você pode estar se perguntando: qual é a influência disso? 
Como as enzimas possuem algumas dezenas ou milhares de 
aminoácidos vizinhos, alguns desses grupos laterais R podem interagir entre si 
de maneira mais intensa fazendo com que essa longa cadeia dobre sobre ela 
mesma. Ou ainda, regiões com grupos R mais apolares direcionam-se para o 
centro de uma estrutura tridimensional formada, evitando seu contato com o 
 
 
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meio aquoso (principal meio onde são utilizadas). Para visualizar a organização 
espacial dessa macroestrutura, recorremos aos níveis de representação das 
enzimas (Figura 4), em que: 
a. primária representa a sequência dos aminoácidos ligados covalentemente 
entre si; 
 b. secundária representa interações mais simples entre aminoácidos 
próximos (α-hélice e folha β-pregueada); 
c. terciária representa a organização tridimensional da estrutura geral da 
proteína (ocorre aí a organização do sítio ativo); e 
d. quaternária representa associações possíveis de estruturas terciárias 
resultando em estruturas enzimáticas mais complexas (Moran et al., 2013; 
Nelson; Cox, 2019). 
Figura 4 – Representação dos diferentes níveis estruturais de uma enzima geral: 
1ª, 2ª, 3ª e 4ª, com a organização do sítio ativo 
 
Créditos: N. Vinoth Narasingam/Shutterstock. 
Essa interação entre os milhares de grupos R dos AA vizinhos expõe 
grupos químicos em regiões específicas da enzima (sítio ativo), que podem, por 
sua vez, participar de reações químicas (biocatalisadores). Sentiu-se convencido 
em compreender um pouco da correlação entre a ordem dos aminoácidos e a 
função que as diferentes enzimas podem apresentar? Assim, considerando a 
estrutura terciária como sendo aquela onde o sítio ativo se organiza (responsável 
pela ação catalítica) graças às interações intermoleculares entre os grupos 
laterais R dos AA vizinhos, torna-se mais evidente a importância do controle das 
condições experimentais do meio quando se utilizam esses biocatalisadores. 
Isso acontece porque muitas das interações intermoleculares pode ser 
 
 
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perturbada princiapalmente com alterações do pH (neutraliza interações 
eletrostáticas +  -, e vice versa), força iônica (concentração de sais, interfere 
nas interações eletrostáticas) e temperatura (perturbaa as interações mais fracas 
tipo dipolo e van der Waals) (Moran et al., 2013; Nelson; Cox, 2019). 
É comum encontrarmos orientações quanto às condições experimentais 
recomendadas para o uso de enzimas e microrganismos (contendo enzimas na 
sua composição intracelular), que visam o bom funcionamento do bioprocesso 
envolvido. Quando as enzimas têm sua estrutura tridimensional perturbada 
(destruída), ocorre o processo conhecido como desnaturação, que é irreversível. 
Imagine, como exemplo, quando fazemos queijo em casa, adicionando suco de 
limão (caráter ácido) no leite, o que resulta na precipitação das proteínas 
presentes. Esse processo não pode ser revertido pela adição de algum composto 
de caráter básico (pH > 7,0) (Moran et al., 2013; Nelson; Cox, 2019). 
 Depois das descrições acima sobre enzimas, podemos refletir como são 
usadas em bioprocessos. Ou seja, em que etapas e com que intuito são 
utilizadas. 
1.2 Como as enzimas são utilizadas em bioprocessos? 
Para aplicar os conceitos descritos no item anterior, vamos revisitar 
brevemente um bioprocesso fermentativo, mais especificamente a produção de 
etanol a partir do milho. Nesse exemplo, alguns aspectos relacionados às etapas 
que envolvem a utilização de enzimas precisam ser ressaltados quanto ao pré-
tratamento da biomassa e quanto à obtenção de etanol final (produto da 
fermentação). 
Sabe-se que durante a fermentação um microrganismo consome 
açúcares simples (mono e dissacarídeos) que são enzimaticamente convertidos 
em etanol sob condições anaeróbicas (ausência de oxigênio) como resultado 
dos seus processos metabólicos. Para biomassas ricas em açúcares simples 
(como a cana-de-açúcar rica em sacarose – dissacarídeo), existe geralmente 
uma etapa principal envolvendo enzimas, as quais estão presentes no próprio 
espaço intracelular do microrganismo. No entanto, para biomassas compostas 
de açúcares mais complexos, como o milho (ricos em amido e amilose – 
polissacarídeos formados por unidades de glucose), são utilizadas 
primeiramente enzimas como a α e β-glucoamilase, essenciais na quebra 
enzimática destes açúcares mais complexos nas suas unidades básicas de 
 
 
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glucose (açúcar simples), então disponíveis para os microrganismos na etapa de 
fermentação. A Figura 5 ilustra esses dois processos fermentativos de maneira 
comparativa quanto ao número de etapas enzimáticas geralmente envolvidas. 
Figura 5 – Ação catalítica de enzimas livres ou como parte da composição de 
microrganismos utilizados em processos fermentativos na obtenção de etanol de 
biomassa distintas (milho e cana-de-açúcar) 
 
Créditos: Daria Ustiugova/Shutterstock; SThom/Shutterstock; Kicky_Princess/Shutterstock; 
Petrroudny43/Shutterstock; Andrii Bezvershenko/Shutterstock; Bulatova/Shutterstock. 
Com base nesse exemplo, podemos verificar que os processos 
enzimáticos podem ocorrer em mais de uma etapa, como pré-tratamento de 
biomassas mais complexas e/ou diretamente na etapa de fermentação. 
Saiba mais 
Em conteúdos anteriores, você se deparou com outros bioprocessos 
envolvendo enzimas para obtenção de medicamentos, tratamento de efluentes 
etc. Analise novamente estes exemplos e procure relacionar o desempenho 
desses biocatalisadores ao longo de etapas específicas, como reações 
enzimáticas extracelulares ou como parte do metabolismo de microrganismos. 
 
 
 
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1.3 Produção de enzimas a partir de bioprocessos 
 Quando pensamos em processos de obtenção de enzimas, nem sempre 
associamos corretamente com a sua importância para a indústria. De fato, 
muitos setores utilizam e/ou dependem de enzimas para otimizar sua produção. 
Alguns exemplos incluem a indústria alimentícia, têxtil, cosmética e farmacêutica 
(como visto em conteúdos anteriores). 
 Uma vez que existe a demanda industrial por enzimas, tem-se explorado 
sua obtenção por meio de fungos e bactérias (puros ou recombinantes – 
geneticamente modificados) na substituição por sua extração de plantas ou 
animais. O Quadro 2 traz alguns exemplos de fungos e bactérias e que tipo de 
enzima produzem. 
Quadro 2 – Exemplos de fungos e bactérias e as respectivas enzimas produzidas 
biotecnologicamente 
Tipo de microrganismo Espécie 
Enzima 
produzida 
fungo Aspergilus niger α-amilase 
fungo Aspergilus melleus protease 
fungo 
Penicillium camemberti, 
Penicillium roqueforti 
Lipase 
bactéria 
Escherichia coli, Bacillus 
megaterium 
penicilina amidase 
bactéria Clostridium histolyticum colagenase 
 
 São na sua maioria produzidas por processos fermentativos submersos, 
em que os microrganismos ficam submersos no meio de cultura com aeração e 
temperatura controlados. Mas podem ainda ser obtidas utilizando-se 
microrganismos imobilizados em uma matriz sólida (seja na superfície, seja no 
interior desse suporte sólido), que algumas vezes já contém os nutrientes 
necessários para os microrganismos, ou os nutrientes são adicionados no meio 
fermentativo. Alguns microrganismos conhecidos na produção de enzimas 
industriais incluem Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Tricoderma reesei 
(Oliveira, 2015; Nandy, 2016). 
 
 
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Espécies de Bacillus são consideradas as fontes mais importantes para 
produção de amilase por meio de fermentação em estado sólido (FES). Esse tipo 
de fermentação pode ser usadotambém para produzir glucoamilase usando A. 
niger. De fato, a produção de enzimas em tecnologia de bioprocessos tem sido 
realizada por FES e fermentação submersa (meio líquido). Em ambas as 
condições, é estritamente crucial que existam alguns elementos importantes 
durante o processo de fermentação, como: 
a. biorreator estéril para evitar contaminação; 
b. ar estéril e agitação constante para o crescimento de bactérias ou fungos 
(ou maximizar o rendimento); 
c. pH e temperatura constantes; e 
d. quantidade de nutrientes necessárias para o crescimento celular (e 
maximizar o rendimento). 
Enzimas extracelulares produzidas industrialmente são extraídas dos 
microrganismos por centrifugação ou filtração, seguida da evaporação da água 
ou ultrafiltração e, finalmente, ficam secas para o cliente. Por outro lado, as 
enzimas intracelulares são muito mais caras e muito difíceis de se obter. 
A maioria das enzimas são produzidas por cultivo submerso (meio líquido) 
em fermentadores, seguido pela abordagem resumida da seguinte forma: 
1. Seleção de enzima; 
2. Seleção da cepa do microrganismo de produção; 
3. Usando a engenharia genética, a cepa superprodutiva pode ser 
desenvolvida; 
4. Otimização do meio e condições dos parâmetros do processo; 
5. Otimização do processo e recuperação do produto (enzima); e, 
6. Produção de enzima estável e eficiente. 
Além disso, após a fermentação, o meio (caldo) é armazenado em um 
tanque que passa por microfiltração. Na sequência, o caldo passa para um 
homogeneizador e, posteriormente, à centrifugação. Aqui é possível ainda usar 
a ultrafiltração. 
Finalmente, a liofilização (secagem por sublimação da água) é a última 
etapa importante comumente usada. Dois esquemas gerais desses processos 
são mostrados na Figura 6. Podem existir outras operações e processos 
unitários envolvidos, sendo ajustados de acordo com a necessidade. 
 
 
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Figura 6 – Esquemas gerais (exemplos A e B) de processos para tratamento de 
enzimas produzidas por fermentação, ressaltando a possibilidade de ajustes de 
processo com a necessidade 
 
Fonte: Protein..., S.d. 
Com isso, vemos que enzimas industriais podem ser obtidas otimizando-se 
as condições de bioprocessos de maneira cuidadosamente planejada. Isso pode 
oferecer maior qualidade de produto, baixo custo de fabricação, baixo consumo 
de energia e economia de tempo. Neste tema, revisamos os conceitos básicos 
de enzima, seu uso relevante em bioprocessos e a maneira de produzi-las 
industrialmente. Esperamos que essas abordagens possam auxiliá-lo a ter uma 
ideia geral sobre as enzimas e como podem ser úteis em processos 
biotecnológicos. 
TEMA 2 – ÁCIDOS 
 Você provavelmente já ouviu falar sobre ácidos, mas talvez não se 
recorde das características químicas específicas desses compostos e como 
estão relacionados a reações químicas (presentes ou não em bioprocessos). 
 
 
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 Ácidos são compostos químicos que muitas vezes estão presentes no dia 
a dia (suco de limão, vinagre etc.) e em processos industriais (vinagre! sim, 
discutiremos isso ainda neste tema). O comportamento dessas moléculas pode 
ser descrito segundo três teorias distintas (Lewis, Bronsted-Lowry e Arrhenius, 
da mais abrangente para a menos abrangente) e reúnem compostos inorgânicos 
(ácido clorídrico, HCl, ácido sulfúrico, H2SO4, ácido fosfórico, H3PO4) e orgânicos 
(ácido acético, CH3COOH, ácido benzoico, C6H5COOH) com características 
reativas importantes (Kotz et al., 2016; Atkins; De Paula 2018). 
 Para que você possa compreender melhor os conceitos iniciados no 
parágrafo acima, vamos discutir um pouco mais sobre a características 
estruturais desses compostos? 
2.1 O que os ácidos têm de tão especial na sua estrutura? 
 A descrição mais comumente utilizada para explicar o comportamento 
desses compostos diz respeito à sua capacidade de liberar íons hidrônios (H3O+, 
comumente indicado como prótons – H+) no meio aquoso. Isso ocorre devido à 
diferença de polaridade de algumas de suas ligações covalentes quando se tem 
um átomo de H conectado a outro átomo mais eletronegativo (geralmente 
átomos de O, Cl, F, Br, I). Ou seja, quanto mais polar (maior a diferença de 
eletronegatividade) esta ligação covalente, maior a capacidade dessa ligação se 
romper em meio aquoso de maneira heterogênea (desigual), deixando o 
elemento mais eletronegativo com o par de elétrons da ligação. O átomo de H é 
então liberado como um cátion H+ (que perdeu seu único elétron). Na Figura 7, 
esse processo está representado para a molécula de ácido clorídrico (H−Cl) em 
água. 
Figura 7 – Molécula de ácido clorídrico (H−Cl) liberando um próton (H+) em água, 
formando o íon hidrônio (H3O+) com seu respectivo átomo de cloro (Cl-) ficando 
com o par de e- da ligação covalente inicial 
 
Créditos: RKTZ/Shutterstock. 
 
 
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Com base nessas informações, pode-se imaginar que espécies H+ livres 
no meio aquoso são espécies geralmente reativas buscando elétron para 
compensar sua natureza instável. Tanto que, mesmo indicando usualmente a 
espécie como H+ em meio aquoso, o próton encontra-se ligado às moléculas de 
água (solvente) formando o íon hidrônio (H3O+). Existem ácidos que, 
dependendo da quantidade de ligações entre H e átomos eletronegativos 
existentes, é capaz de liberar 1, 2, 3 ou mais H+ quando dissolvidos em água, 
sendo então classificados como mono, di, tri ou polipróticos, respectivamente 
(Kotz et al. 2016; Atkins; De Paula, 2018) 
Mas então, como diferenciar o comportamento de ácidos quando suas 
estruturas químicas são diferentes? De fato, a estrutura química do ácido pode 
ajudar a prever a facilidade com que esses compostos liberam os íons H+ em 
água (ligação química se rompe), conhecido também como a força do ácido. 
Como a maioria dos ácidos apresenta esse comportamento em meio aquoso, 
descreve-se a força de um ácido em função do seu grau de ionização (α) em 
água, que indica a porcentagem (%) de espécies ionizadas (dissociadas) em 
água. 
Ácidos com alto grau de ionização são considerados ácidos fortes e, de 
maneira complementar, ácidos com baixo grau de ionização são ácidos fracos – 
normalmente os ácidos orgânicos (acético, cítrico etc.) estão classificados neste 
grupo. O Quadro 3 apresenta alguns exemplos de ácidos inorgânicos e 
orgânicos comumente utilizados em processos industriais. Vale ressaltar ainda 
que muitos ácidos orgânicos têm sua força relacionada à constante de acidez 
(Ka), a qual considera a concentração de H+ (ou [H3O+]) dissociados em água na 
condição de equilíbrio (Kotz et al., 2016; Atkins; Jones; Laverman, 2018). 
Quadro 3 – Força de ácidos inorgânicos e orgânicos segundo seu grau de 
dissociação (α) e constante de acidez Ka 
Ácido α Ka Classificação 
ácido clorídrico (HCl) 0,92 (92%) 1,0x108 forte 
ácido nítrico (HNO3) 0,92 (92%) 2,4x101 forte 
ácido fosfórico (H3PO4) 0,27 (27%) 
7,5x10-3 (H1+) 
6,2x10-8 (H2+) 
4,2x10-13 (H3+) 
moderado 
 
 
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ácido fórmico (HCOO–H)Você conseguiria 
explicar por quê? 
2.2 Como os ácidos são utilizados em bioprocessos? 
Imagine que você precise ajustar o pH de um meio reacional e, para isso, 
utilize algum ácido disponível. Lembre-se de que, quando se prepara uma 
solução ácida buscando determinado valor de pH, é preciso considerar, além da 
fórmula do pH (=-log[H3O+]), também as informações do ácido concentrado 
contidas no rótulo. Por exemplo, você pode se surpreender ao identificar que o 
ácido clorídrico (HCl) concentrado contém apenas 37% em massa desse 
composto, e densidade maior que a da água (d=1,19 mg/mL). Além das 
informações de teor (% m/v) e densidade, pode ser relevante considerar a força 
do ácido já que esses compostos são bastante reativos e podem interferir na 
reação de maneira indesejada. Em alguns bioprocessos utilizando 
microrganismos, pode ser também interessante analisar a toxicidade do ácido 
para o microrganismo utilizado. 
Você pode estar se perguntando como esses compostos são utilizados 
em bioprocessos. Bem, se você reler atentamente o 1.1 desta aula, vai perceber 
que essas espécies (H+) podem ser responsáveis pela desestabilização de 
 
 
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enzimas ou ainda, pela inatividade de microrganismos. Por isso, se um meio 
reacional inicialmente não atende às condições de pH necessárias para a 
atuação da enzima ou do microrganismo, pode-se ajustá-lo adicionando 
soluções ácidas ou básicas ao sistema, verificando-se e monitorando-se o valor 
de pH do meio no início e ao longo do processo. Muitas vezes, processos 
fermentativos apresentam variação nos valores de pH com o progresso da 
fermentação, como resultado de processos metabólicos (desejados e/ou 
indesejados). 
Logo, nas reações envolvidas nos mais diferentes bioprocessos, o 
parâmetro de pH pode ser de extrema relevância para otimização da obtenção 
de produtos, neutralização de efluentes, degradação de compostos etc. Vale 
ressaltar ainda que a medida de pH pode ser executa com aparelhos simples, o 
que facilita esse tipo de averiguação. Além do cuidado com o pH (indiretamente, 
quantidade de ácido) no meio reacional, será que podemos obter ácidos por meio 
de bioprocessos? 
2.3 Produção de ácidos a partir de bioprocessos 
 Um dos processos fermentativos mais antigos e ainda explorados 
industrialmente – a produção do vinho –, pode ser utilizado também para a 
obtenção de um ácido muito utilizado pela maioria de nós, o vinagre. Sim, o 
vinagre é uma solução contendo de 4-5 % em massa de ácido acético 
(CH3COO–H citado no início deste tema), sendo utilizado como tempero e ainda 
apresentando propriedades antissépticas e anti-inflamatórias (Oliveira, 2015). 
 Do ponto de vista biotecnológico, o vinagre pode ser obtido por meio de 
dois processos fermentativos sequenciais: a fermentação alcóolica (anaeróbia) 
de açúcares pela levedura Saccharomyces cerevisae para a obtenção de uma 
solução hidroalcoólica (água com certa % de etanol), seguido da oxidação do 
etanol (na presença de oxigênio do ar – aeróbia) por bactérias do gênero 
Acetobacter para obtenção final do ácido acético (CH3COO–H). Para que o 
último processo fermentativo de oxidação ocorra de maneira eficiente, o 
fermentado alcoólico (1ª fermentação) precisa atender alguns requisitos, como: 
a. estar livre de outras bactérias concorrentes; 
b. estar livre de dióxido de enxofre (SO2), tóxico para as bactérias 
Acetobacter; 
 
 
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c. ser límpido e com baixo teor final de açúcares não fermentados para evitar 
a proliferação de microrganismos indesejados; 
d. apresentar teor (%) teor alcoólico entre 8 e 10%, já que baixas 
concentrações de álcool podem favorecer contaminação e diminuir a 
eficiência do processo, enquanto altas concentrações podem inibir a ação 
das bactérias de interesse (Oliveira, 2015). 
 Com base no que discutimos acima, considere então que, para obtenção 
de vinagre, precisamos de fontes que contenham açúcares que possam ser 
facilmente fermentados. Por causa disso, existem diferentes tipos de vinagre de 
acordo com a matéria-prima utilizada: vinagre de álcool a partir da cana-de-
açúcar, vinagre de vinho (uva), vinagre de cereais a partir do arroz, vinagre 
balsâmico a partir do mosto de uva cozido, e vinagre de frutas a partir, 
especialmente, da maçã (esquema apresentado na Figura 8) (Oliveira, 2015). 
Figura 8 – Obtenção de vinagre de maçã, ressaltando as duas etapas 
fermentativas de obtenção do fermentado alcóolico (pela levedura), seguido da 
sua oxidação pelas bactérias Acetobacter 
 
Créditos: Kallayanee Naloka/Shutterstock. 
 
 
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Na segunda etapa desse processo, a acetificação (oxidação do etanol), 
geralmente essas bactérias se concentram no topo do fermentado rico em etanol 
(que na indústria do vinagre é denominado como vinho), podendo ocorrer de 
maneira rápida (processo alemão, com grande superfície de contato) ou de 
maneira lenta (processo Orleans, o mais antigo ocorrendo em barris de madeira 
adaptados). Ainda, essa fermentação pode ocorrer pelo processo submerso 
(mais utilizado industrialmente) onde as bactérias ficam submersas ao invés de 
se concentrarem no topo do vinho. No final desse processo, o vinagre precisa 
ser estocado na ausência de oxigênio, que pode causar sua degradação, com a 
possibilidade de ser envelhecido dependendo das características finais 
desejadas (Oliveira, 2015). 
Assim finalizamos este tema, ressaltando alguns dos conceitos básicos 
importantes dos ácidos e seus diferentes papéis dentro de bioprocessos, como 
reagentes utilizados no ajuste das condições reacionais e como produtos 
biotecnológicos. 
TEMA 3 – SOLVENTES 
As reações envolvidas nos bioprocessos precisam de um meio que 
permita a difusão das espécies envolvidas: reagentes, produtos e 
biocatalisadores (enzimas isoladas e/ou microrganismos). A maioria dos 
solventes utilizados compreende moléculas químicas pequenas com 
características físicas e químicas específicas, como ponto de ebulição adequado 
ao processo (para que não evapore rapidamente), capacidade de dissolver os 
reagentes e/ou produtos, não ser reativo com as espécies de interesse, ser fluido 
etc. Além disso, é o componente em maior quantidade no meio reacional. 
Em bioprocessos, podemos acrescentar o fato de o solvente não ser 
tóxico, especialmente no caso do uso de microrganismos. Logo, o solvente mais 
utilizado é a água (H2O) no seu estado líquido, capaz de dissolver os reagentes 
e outras moléculas secundárias importantes para o preparo do meio reacional, 
como sais, açúcares, além de permitir o ajuste do pH do processo. Além disso, 
é considerado um solvente verde, pois se descartada, não haverá grandes 
impactos para o meio ambiente. Lembre-se de que a característica do resíduo 
aquoso é de extrema relevância e algumas vezes precisará ser tratado antes do 
descarte, não por conter água, mas por conter outros compostos potencialmente 
tóxicos ou não facilmente degradáveis. 
 
 
20 
Assim como mencionado para os ácidos no tema anterior desta aula, os 
solventes também apresentam propriedades importantes associadas à sua 
estrutura química. Principalmente os solventes podem então ser classificados 
quanto à sua polaridade (solvente polares e apolares), sendo que alguns 
solventes podem ser formados pela mistura de diferentes solventes estando 
disponíveis no mercado sob códigos específicos. O aspecto crucial aqui está 
relacionado à capacidade de o solvente permitir a difusão das espécies no meio, 
e, por isso, você já deve ter escutado a frase: “Semelhante dissolve semelhante”. 
Existe uma vasta gama de moleculares que podem atuar como solvente 
em uma reação: etanol, metanol, acetona, éter, hexano etc. No entanto, quando 
pensamos em solvente como meio em que estarão contidas enzimas isoladas 
e/ou microrganismos, muitas vezes esses solventes (que não a água) podem 
representar toxicidade aos microrganismos ou podem causar desnaturação das 
enzimasao longo do processo. 
3.1 Que papel os solventes desempenham em bioprocessos? 
Dentre essas características discutidas no item anterior, é importante 
ressaltar que solvente é o meio no qual os microrganismos e enzimas existem 
ou são bioquimicamente estáveis. Para que tanto os reagentes, produtos, 
demais espécies químicas, enzimas livres e microrganismos encontrem-se bem 
dispersos no meio, o solvente precisa ser eficiente na sua interação com essas 
espécies, por meio de um processo denominado de solvatação. Esse 
envolvimento das espécies do meio pelas moléculas de solvente ocorre devido 
a diferentes interações intermoleculares possíveis, como ligações de hidrogênio, 
íon-dipolo, dipolo-dipolo e dipolo induzido (Figura 9). É de se esperar que a boa 
solvatação das espécies do meio permita que reagentes alcancem e interajam 
eficientemente com os sítios ativos de enzimas ou sejam internalizados pelos 
microrganismos. 
 
 
 
 
 
 
21 
Figura 9 – Processo de solubilização de um composto pelo solvente, que solvata 
as espécies químicas no meio, facilitando a sua difusão no meio reacional 
 
Créditos: RKTZ/Shutterstock. 
Mesmo que muitos bioprocessos industriais possam ocorrer em meio 
aquoso – favorável para a estabilidade das enzimas e microrganismos –, não 
podemos esquecer que os produtos obtidos ainda precisam ser recuperados e 
purificados. Além disso, para a maioria das reações biocatalíticas e 
fermentações, o produto gerado é frequentemente tóxico (perda irreversível de 
atividade) ou inibe (perda reversível de atividade) a enzima ou microrganismo 
em concentrações muito mais baixas. Logo, ressalta a importância de processos 
que permitam a remoção de produtos inibidores ou tóxicos durante a reação. 
Diante disso, Grundtvig et al. (2021) reuniram informações de diferentes 
estudos publicados para definir critérios para a triagem de solventes em um 
bioprocessos bifásico (água–solvente orgânico), levando em consideração 
requisitos técnicos, de meio ambiente, saúde e segurança como pré-requisito 
para a implementação industrial. Embora o uso de solventes orgânicos miscíveis 
em água (etanol, dimetilsulfóxido – DMSO) possa auxiliar na solubilização de 
compostos orgânicos pouco solúveis, isso acaba trazendo um aumento de 
apenas 10-20% em concentração de substrato e/ou produto. Ainda, com 
algumas exceções, esses solventes polares retiram a água essencial do 
biocatalisador, comprometendo a estabilidade da enzima. 
 
 
22 
O uso de solventes imiscíveis em água, como uma fase distinta da fase 
aquosa, forma um sistema bifásico (duas fases líquidas). Nesses sistemas, os 
solventes orgânicos são usados para melhorar a solubilidade do substrato, ou 
remoção de produto, além de evitar a inibição das enzimas ou microrganismo 
envolvidos. Dessa forma, ressaltou-se que a aplicação de sistemas líquidos 
bifásicos melhora o rendimento da biorreação, a concentração e separação do 
produto e, em alguns casos, a seletividade. 
Como a lista de solventes aplicáveis em processos industriais é extensa, 
torna-se necessário fazer uma triagem de solventes para adequação ao 
bioprocesso em questão. Dentre as categorias de avaliação para esta triagem é 
importante citar: 
a. Meio ambiente, saúde e segurança; 
b. Propriedades de afinidade, recuperação e reciclabilidade; 
c. Estabilidade; e 
d. Aplicação. 
A triagem também leva em consideração propriedades disponíveis na 
literatura e propriedades determinadas experimentalmente, que dependem das 
características do sistema e devem ser investigadas experimentalmente para 
avaliar seu desempenho antes de passar para escalas maiores de produção 
(Grundtvig et al., 2021). 
3.2 Produção de solventes a partir de bioprocessos 
 Na maioria das vezes, associamos o etanol (CH3CH2OH) produzido 
biotecnologicamente com o combustível que utilizamos nos carros, seja este 
puro ou misturado à gasolina. No entanto, podemos também incluir o bioetanol 
na descrição de solventes, discutidos aqui nesta aula e tema específico. 
 Tradicionalmente, a bioprodução de etanol ocorre por fermentação de 
biomassa rica em açúcares realizada por leveduras do gênero Saccharomyces, 
sendo a mais conhecida Saccharomyces cerevisae. Na Figura 5, do item 1.2 
desta aula, pontuamos alguns detalhes comparativos da obtenção desse 
solvente a partir de cana-de-açúcar ou milho, destacando ali a importância das 
enzimas. 
 Além de etanol, outros solventes podem também ser obtidos por meio de 
bioprocessos, mais especificamente, processos fermentativos. O que ocorre de 
 
 
23 
especial, na presença dos microrganismos presentes nesses processos, é a 
formação de subprodutos durante etapas bioquímicas essenciais do seu 
metabolismo. Imaginemos que, ao tentar consumir as diferentes fontes de 
açúcares, os microrganismos tenham desvios nas suas diversas rotas 
metabólicas que resultem em outros compostos que não exclusivamente CO2 e 
H2O. Logo, a biotecnologia utiliza dessas alternativas para a obtenção de 
produtos de interesse comercial, como subprodutos de vias metabólicas. 
Exemplos de solventes obtidos assim incluem a acetona (CH3COCH3) e 
n-butanol (CH3CH2CH2CH2OH) a partir da fermentação de glicose, maltose, 
sacarose ou amido, utilizando-se geralmente bactérias da espécie Clostridium 
acetobutylicum (Figura 10). Pode-se ainda adicionar outros compostos como 
fonte de nitrogênio, sal de amônio (NH4+), aminoácidos, extrato de soja e água 
de milho. 
Figura 10 – Rota metabólica das bactérias Clostridium na produção dos 
solventes etanol, acetona e butanol 
 
Créditos: Liu et al., 2013. 
 
 
24 
 Como essas bactérias são anaeróbicas estritas, ou seja, não suportam 
oxigênio, os processos fermentativos envolvendo esses microrganismos 
precisam ocorrer na ausência total de oxigênio. Isso quer dizer que, para garantir 
sua sobrevivência durante a fermentação, o meio é mantido sob aquecimento 
para expurgar o O2 (já que sua solubilidade diminui com o aumento da 
temperatura) ou podem-se adicionar agentes específicos para auxiliar na sua 
captura (O2). No entanto, graças à engenharia genética, algumas empresas têm 
explorado cepas modificadas de Saccharomyces cerevisae para obtenção de 
butanol a partir de milho e cana-de-açúcar durante a fermentação. 
 É importante reforçar que, durante o processo fermentativo, pode-se obter 
não o solvente puro diretamente, mas uma mistura de diversos compostos de 
interesse como acetona, butanol e etanol (em baixa quantidade;outros. Utilizou-se aqui como exemplo 
a sujeira ou gordura, mas é possível estender esse mesmo raciocínio para 
 
 
25 
quaisquer misturas entre porções polares (hidrofílicas) e apolares (hidrofóbicas), 
graças à ideia de semelhante dissolve semelhante. 
 Será que essas moléculas podem ser utilizadas com finalidade importante 
em bioprocessos? 
4.1 O que os detergentes têm de tão especial na sua estrutura? 
 Na verdade, os detergentes são quimicamente conhecidos como 
surfactantes. Essas moléculas químicas são formadas por duas regiões com 
características distintas e ligadas covalentemente entre si: uma região hidrofílica 
(interage bem com a água ou meios polares) e outra hidrofóbica (não interage 
com a água, mas interage bem com a gordura e meios apolares). 
Estruturalmente, essa junção de partes quimicamente distintas é ilustrada como 
uma cabeça e uma cauda (Figura 11). 
 
Figura 11 – Estrutura geral de um surfactante, com as partes quimicamente 
distintas: a cabeça polar (hidrofílica, em azul) e a cauda apolar (região 
hidrofóbica, em vermelho) 
 
Créditos: BJarts/Shutterstock. 
 
 
26 
Nesses compostos, as regiões hidrofílicas podem ou não apresentar 
grupos ionizados (cátions ou ânions), sendo assim classificados como 
surfactantes catiônicos (carga fixa positiva), aniônicos (carga fixa negativa), 
anfotéricos (carga fixa positiva e negativa), ou ainda não iônicos (sem carga fixa) 
(Figura 12). 
Figura 12 – Tipos de surfactantes com partes hidrofílicas não-iônicas, aniônicas 
(–), catiônica (+), e anfotérica (+/–) 
 
Créditos: Sansanorth/Shutterstock. 
 Como ocorre, então, o processo de interação dessas moléculas com o 
meio? Para compreender essa interação, vamos resgatar o conceito geral de 
tensão superficial. Calma! Para visualizar esse efeito, relembre das vezes em 
que observou um mosquito sob uma poça d’água ou sob a superfície de um lago. 
O mosquito não afunda, pois as moléculas de água interagem tão fortemente 
 
 
27 
entre si que não permitem que o mosquito ultrapasse essa interface água-ar. E 
o que isso tem a ver com surfactantes? 
 Como dissemos acima, muitos processos envolvendo surfactantes 
(detergentes) ocorrem em meio aquoso contendo frações de compostos 
apolares que não se dispersam bem em água. Para acompanhar o que ocorre, 
observe a Figura 13. Ao adicionarmos moléculas do surfactante em meio 
aquoso, inicialmente a fração hidrofóbica (apolar) migra para a interface água-ar 
com o intuito de evitar seu contato com a água. Aumentando-se a quantidade de 
surfactante no meio, ocorre a saturação dessa interface água-ar, não havendo 
mais espaço para novas moléculas de surfactante que forem adicionadas. Como 
não se pode romper (quebrar) a molécula nas suas partes individuais, o resultado 
disso é a auto-organização de moléculas do surfactante presas no meio aquoso 
e que se organizam entre si, formando estruturas tridimensionalmente esféricas 
(denominadas micelas), com as frações hidrofóbicas direcionadas para o centro 
dessas estruturas e as frações hidrofílicas mantendo seu contato com a água 
(Atkins; De Paula, 2018). 
Figura 13 – Auto-organização das moléculas de surfactante em meio aquoso e 
formação das micelas 
 
Créditos: Magnetix/Shutterstock. 
 Podem ainda existir condições em que os surfactantes se organizam de 
maneira inversa, ou seja, com a porção hidrofílica organizada em direção ao 
centro das micelas e a parte hidrofóbica direcionada para o exterior (meio), 
conhecidas como micelas reversas. Esse tipo de micela reserva tem sido 
explorada como uma ferramenta para biosseparação de enzimas, porque seu 
núcleo evita o contato das enzimas com solventes orgânicos que podem 
 
 
28 
desestabilizá-la permitindo manter as propriedades funcionais, de estrutura e 
atividade das enzimas. Nesse sentido, podem-se explorar surfactantes aniônicos 
como o bis-2-etil-hexil-sulfosuccinato de sódio (AOT), catiônicos como o brometo 
de cetiltrimetilamônio (CTAB), ou ainda não-iônicos, como o polissorbato Tween 
80 (Gangadharappa et al., 2017). 
 Um parâmetro importante obtido desse processo de micelização é a 
concentração micelar crítica (CMC), algumas vezes referida como concentração 
de agregação crítica (CAC). Essa concentração indica qual quantidade mínima 
de surfactante deve ser adicionada no meio para que ocorra a formação das 
micelas. Pode ser determinada por diferentes técnicas que sejam capazes de 
medir, além da tensão superficial (mais comumente usada), a turbidez e a 
condutividade, por exemplo. 
 Agora que você provavelmente está visualizando essas inúmeras 
moléculas se auto-organizando em estruturas tridimensionais com 
características hidrofóbicas e hidrofílicas, pode voltar ao início da descrição 
deste item e compreender mais claramente como o detergente comum é capaz 
de fragmentar a sujeira e a gordura durante a limpeza. As porções hidrofóbicas 
ficariam retidas internamente nessas estruturas muito pequenas. O nosso 
organismo faz isso toda vez que você consome gordura! Sim, a bílis produz sais 
biliares que agem como surfactantes, fragmentando porções maiores de gordura 
em pequenos fragmentos que podem ser transportados no nosso meio 
sanguíneo (aquoso) para posterior metabolismo. Ou ainda, temos os 
fosfolipídios (compostos com partes hidrofóbicas e hidrofílicas) constituintes das 
membranas celulares (Moran et al., 2013; Nelson; Cox, 2019). 
 Agora você está convencido de que os surfactantes estão mais presentes 
do que se imagina, não? Dentro do contexto de bioprocessos, você pode estar 
se perguntando onde encaixar essa classe diferente de compostos químicos. 
4.2 Surfactantes obtidos por meio de bioprocessos 
 Como alternativa para a substituição de surfactantes convencionais, têm 
crescido significativamente a produção e o uso de biossurfactantes, a partir da 
combinação de frações de moléculas biológicas (carboidratos, polissacarídeos, 
proteínas e lipídios). Os biossurfactantes representam uma alternativa 
sustentável sendo naturalmente sintetizados por sistemas biológicos (plantas e 
 
 
29 
microrganismos), o que oferece menor toxicidade e maior degradabilidade (Silva 
et al., 2021). 
 Um levantamento bibliográfico feito por Silva et al. (2021) traz informações 
muito interessantes quanto à bioprodução dessa classe de compostos. 
Biossurfactantes como glicolipídeos (glico: porção carboidrato – hidrofílico, 
lipídios: porção gordura - hidrofóbico), glicoproteínas, lipopeptídeos (lipo: porção 
gordura - hidrofóbico; peptídeo: porção com aminoácidos – diferentes graus de 
hidrofilicidade dependendo da composição dos grupos R dos AA) são produzidos 
por diferentes cepas de bactérias, principalmente Pseudomonas e Bacillus, 
destacando-se como o maior volume de dados e produção científica. 
 Já os biossurfactantes obtidos a partir de fungos representam apenas 
19% do total (comparado aos bacterianos), embora resultem em 
biossurfactantes com uma maior variedade estrutural química. Alguns são 
produzidos exclusivamente por fungos, como soforolipídeos (glicolipídios), 
lipídios de celobiose, xilolipídios, lipídios polióis, entre outros. Suas propriedades 
permitem uma ampla gama de aplicações, como no setor de cuidados pessoais, 
alimentos, agricultura, farmacêutico, biomedicina, engenharia de materiais, 
bioenergias e remediação ambiental. No entanto, a produção de 
biossurfactantes bacterianos e fúngicos ainda é bastante restrita, devido aos 
custos de produção e recuperação, além do baixo rendimento. 
 Como horizonte promissor, podemos considerar a biotecnologia industrial 
para minimizar as limitações inerentes a cada estágio, incluindo isolamento, 
triagem, otimização do crescimento e do rendimento do produto, processamento 
posterior, recuperação, purificação e caracterização. Além disso, o uso de 
resíduos agroindustriais como substrato e a otimização dos parâmetros do 
bioprocessamento pormeio de projetos estatísticos também têm se mostrado 
uma ferramenta para aumentar a viabilidade da produção dessas biomoléculas. 
 De maneira geral, esse levantamento avaliou os bioprocessos envolvidos 
na produção de biossurfactantes considerando toda a cadeia de inovação, desde 
fontes de isolamento e testes de seleção para produção de microrganismos, 
parâmetros de cultivo, otimização de processos por meio de ferramentas 
estatísticas e genéticas, até o processamento posterior, além de seu potencial 
na formulação de produtos comerciais. 
 
 
 
30 
4.3 Aplicações para biossurfactantes 
 Além da possibilidade de obter biossurfactantes de processos envolvendo 
o uso de bactérias e fungos, podemos explorar também algumas aplicações para 
algumas dessas moléculas já produzidas industrialmente. Os exemplos citados 
a seguir foram identificados no levantamento realizado por Silva et al. (2021). 
• Produtos de higiene pessoal: pode-se destacar a formulação pastas de 
dente e enxaguantes bucais contendo biossurfactantes produzidos a 
partir de S. bombicola. Também, creme dental contendo quitosana 
(biopolímeros) extraída de Mucorales que não apresentavam toxicidade, 
tem capacidade de formação de espuma (63-95%) e promove a inibição 
da bactéria cariogênica Streptococcus mutans; 
• Área ambiental: a remediação de poluentes hidrofóbicos foi testada com 
produtos contendo na sua formulação biossurfactantes produzidos por C. 
lipolytica e C. bombicola combinado com sorbato de potássio 
(conservante químico), que mantiveram suas propriedades surfactantes e 
estabilidade por 90 dias em nível suficiente para garantir sua aplicação 
como dispersante. Detergentes contendo biossurfactantes produzidos a 
partir de Cunninghamella echinulata também foram testados para uso na 
indústria químico-têxtil, pois promovem a limpeza e remoção de óleo de 
motor (86%) em tecidos de algodão, mantendo a estabilidade da 
integridade estrutural da fibra; 
• Setor alimentício: biossurfactantes produzidos pela Candida utilis foram 
testados na formulação de molhos para salada e maionese, 
proporcionando estabilidade físico-química frente a variações de 
temperatura e acidez durante o processamento desses alimentos; 
• Saúde: o uso de biossurfactantes em aplicações biomédicas, 
terapêuticas e farmacêuticas destacou aplicações potenciais em 
formulações para lavagem das mãos e agentes de revestimento de 
superfícies de plástico e tecido úteis para combater infecções 
microbianas. 
 Ao final das discussões realizadas neste tema, você pode perceber que a 
ideia de detergentes e surfactantes engloba aspectos que vão além da questão 
de limpeza. No entanto, os princípios de estrutura química contendo porções 
hidrofílicas e hidrofóbicas como parte integrante de uma mesma molécula têm 
 
 
31 
apresentado utilização em diferentes áreas, com o diferencial de poder ser 
produzida por meio de bioprocessos – os biossurfactantes. 
TEMA 5 – PAPEL E CELULOSE 
Provavelmente você já ouviu essas duas palavras no seu dia a dia, mas 
não necessariamente associou que o papel é constituído de celulose ou que a 
celulose é o composto químico que compõe estruturalmente o papel. Graças à 
estrutura e às características da celulose, existe uma ampla variedade de 
materiais celulósicos. 
Na natureza, vários animais ou plantas sintetizam biocompósitos (mistura 
física de biocomponentes) esqueléticos extracelulares de alto desempenho que 
consistem em uma matriz reforçada por biopolímeros fibrosos. A celulose (o 
biopolímero mais abundante) é um exemplo clássico desses elementos de 
reforço, sendo um polímero estrutural que confere propriedades mecânicas às 
células vegetais superiores. Materiais à base de celulose natural são usados 
como materiais de engenharia há muitos anos e continuam até hoje devido ao 
expressivo mercado e indústrias mundiais de produtos florestais, papel, têxteis, 
alimentícia etc. Alguns animais, principalmente ruminantes e cupins, podem 
digerir (enzimaticamente) a celulose com a ajuda de micro-organismos 
simbióticos. No entanto, para nós, humanos, a celulose não é digerível e 
costuma ser chamada de fibra dietética ou volumosa. 
De fato, a celulose é a fonte de material biodegradável mais utilizada, já 
que representa grande parte do ecossistema terrestre. As plantas são formadas 
por uma combinação de compostos celulósicos que têm como função estrutura 
e transporte de nutrientes essenciais ao seu crescimento. Um olhar mais atento 
para esse material revela uma estrutura hierárquica complexa que é a 
responsável por sua funcionalidade, flexibilidade e desempenho de alta 
resistência (em relação ao peso). 
Quando observamos a estrutura das plantas em meio detalhe (Figura 14), 
podemos observar a celulose como parte da parede celular, organizada na forma 
de fibras entrelaçadas, compostas por diversas cadeias de celulose 
(polissacarídeo). Relembre aqui que a celulose é um biopolímero, ou seja, uma 
macromolécula composta de diversas moléculas de glucose ligadas 
covalentemente entre si. Sim, esse conceito já foi visto acima quando falamos 
de enzimas, ou em conteúdos anteriores, quando falamos de biopolímeros. 
 
 
32 
Figura 14 – Estrutura hierárquica de vegetais superiores (plantas) ricos em 
material celulósico, especialmente encontrado na parede celular e composto de 
várias unidades de repetição de glucose 
 
Créditos: Vector Mine/Shutterstock. 
5.1 O que a celulose tem de tão especial na sua estrutura? 
A estrutura química da celulose (Figura 15) é composta por unidades de 
glucose (açúcar simples), com as unidades de repetição vizinhas organizadas 
de modo que os oxigênios do anel de glucose apontem em direções opostas. 
Isso faz com que a unidade de repetição da cadeia desse polímero seja 
composta por dois anéis de glucose girando um em relação ao outro para formar 
uma unidade muito conhecida de celobiose. Essas unidades de celobiose 
(blocos de duas unidades glucoses) estão covalentemente ligadas formando 
uma cadeia linear estendida, insolúvel que consiste em 2.000 a 27.000 blocos 
de repetição (Dufresne, 2012). 
 
 
33 
Figura 15 – Estrutura base do bloco de construção do biopolímero celulose: a 
celobiose composta por duas unidades de glucose com os átomos de oxigênio 
dispostos de maneira oposta. 
 
 
Créditos: Petrroundny43/Shutterstock. 
Por que apontar tantos detalhes para a estrutura química da celulose? 
Bem, uma das principais razões está relacionada ao fato de auxiliar na 
compreensão da inúmeras propriedades e aplicações que esse biopolímero 
apresenta. Se você ainda não ouviu sobre nanocelulose (uma versão da celulose 
encontrada em escala manométrica – 1 bilionésimo de um metro – na forma de 
fibras muito finas ou cristais nanométricos), provavelmente ouvirá nos próximos 
anos, já que é um derivado da celulose explorado nas mais diversas áreas 
tecnológicas. 
Uma das características mais específicas da celulose é que cada um de 
seus monômeros de glucose contém três grupos hidroxila (–OH), com 
capacidade de formar ligação de hidrogênio com macromoléculas ou porções 
vizinhas, e assim, tem um papel importante no empacotamento das cadeias 
formando regiões altamente organizadas (cristalinas) que controlam importantes 
propriedades físicas desses materiais. Quanto às suas propriedades químicas, 
a estrutura da celulose faz com que sua cadeia apresente polaridade capaz de 
reduzir íons Cu2+ em íons Cu1+ em uma solução de Fehling. Além disso, esses 
mesmos grupos hidroxilas (–OH) presentes em grande quantidade na estrutura 
da celulose são capazes de sofrer reações químicas de modificação na sua 
estrutura visando modular a sua hidrofobicidade, hidrofilicidade, ou, ainda, 
características químicas e/ou biológicas (Dufresne, 2012). 
Vimos até aqui que discutir com mais atenção alguns detalhes 
importantes da estrutura química da celulose pode nos auxiliar a compreender34 
suas propriedades e aplicações. Além das plantas, existem alternativas para a 
bioprodução desse polímero natural de grande importância? 
5.2 Celulose bacteriana: celulose produzida a partir de bioprocessos 
Além da celulose como principal componente da biomassa vegetal, 
podemos encontrá-la também como polímero extracelular de microrganismos. 
Já discutimos um pouco sobre a celulose bacteriana (ou microbiana) em 
conteúdos anteriores, mas aqui vamos complementar esse interessante item 
com mais informações. 
Esse biopolímero é o produto específico do metabolismo primário do 
microrganismo e constitui principalmente um revestimento protetor, sendo uma 
das características mais importantes sua pureza, que a diferencia da celulose 
vegetal (coexistindo com hemiceluloses e lignina – difícil de ser extraída). 
É um produto extracelular da bactéria envolvida na produção de vinagre, 
por exemplo, e foi descrito por Pasteur como “uma espécie de pele úmida, 
inchada, gelatinosa e escorregadia ...”. Pode ser sintetizado diferentes gêneros 
de bactérias (Zoogloea, Sarcina, Salmonella, Rhizobium, Pseudomonas, 
Escherichia, Agrobacterium, Aerobacter, Achromobacter, Azotobacter, 
Alcaligenes e Acetobacter). Porém, do ponto de vista comercial, apenas as 
espécies de Acetobacter produzem celulose suficiente. Em especial, a espécie 
mais estudada e utilizada é a Acetobacter xylinum, encontrada onde quer que 
ocorra a fermentação de açúcares e carboidratos vegetais, como sucos de frutas 
não pasteurizados ou esterilizados, flores, frutas podres e bebidas alcoólicas. 
Esse organismo não fotossintético pode usar glicose, açúcar, glicerol ou outros 
substratos orgânicos para convertê-los em celulose pura. A celulose produzida 
pelo microrganismo parece auxiliar a sobrevivência das bactérias no ambiente 
aeróbio, além de servir como proteção para luz ultravioleta, retenção de umidade 
e colonização de substratos (Dufresne, 2012). 
Na bactéria A. xylinum, a determinação da via biossintética para 
conversão de glucose em celulose tem sido intensamente investigada e envolve 
pelo menos quatro etapas de reação bioquímica (Figura 16). Uma fonte glucose 
(D-glicose) é necessária para a produção de celulose bacteriana, que atua como 
fonte de energia e como precursor da celulose. Várias modificações foram feitas 
para melhorar as propriedades mecânicas, químicas, estruturais e biológicas e 
o rendimento da produção de celulose bacteriana (CB). Essa bactéria é a mais 
 
 
35 
eficiente produtora de celulose encontrada na natureza, com uma única célula 
podendo converter até 108 moléculas de glicose por hora em celulose (Dufresne, 
2012). 
Figura 16 – Rota biossintética do carbono na bactéria A. xylinum para conversão 
de glicose em celulose*. 
 
Fonte: Tonouchi et al., 1996, citado por Dufresne, 2012. 
* As siglas representam as enzimas envolvidas em cada etapa: GHK – glicose hexoquinase; 
PGM – fosfoglucomutase; UGP – uridina glucofosfatase; CS – celulose sintase. 
As muitas fibras (fibrilas) CB agregam-se devido às ligações de hidrogênio 
e às forças de van der Waals, formando uma rede de celulose bem definida e 
estável. Essas forças permitem que as fibrilas se mantenham entrelaçadas, mas 
separadas por camadas de água adsorvidas. Assim, uma das características 
únicas dessa espécie de membrana de celulose pura é que ela é muito forte, 
com uma condição de nunca estar seca (podendo conter centenas de vezes seu 
peso em água). Essa capacidade de absorver grandes volumes de água (em 
relação ao seu peso) resulta na formação de hidrogéis estáveis. Essas 
características têm permitido seu uso em diversas aplicações. 
Quando se procuram aplicações biomédicas, é altamente desejável 
ajustar as propriedades da estrutura suporte para crescimento celular ou 
implante às propriedades do material que pretende regenerar ou substituir. 
Nesse sentido, a celulose bacteriana poderia ser embebida em hidroxiapatita 
para o desenvolvimento de uma estrutura visando a regeneração de células 
ósseas. Ou ainda, a imersão de celulose bacteriana em PVA (poli(álcool vinílico)) 
para a produção de hidrogéis com propriedades mecânicas de interesse para 
implantes cardiovasculares. 
Além disso, as propriedades únicas de gel do CB podem ser exploradas 
como espessantes em sorvetes e temperos para salada. Ainda, devido à sua 
indigestibilidade completa no trato intestinal humano, também se torna atraente 
como base alimentar para alimentos diet, sorvetes de baixa caloria, salgadinhos 
e doces. Outro exemplo que tem se destacado é o Kombuchá, um produto 
fermentado consumido como probiótico por um número crescente de indivíduos. 
 
 
36 
Nesse produto, as bactérias Acetobacter, em conjunto com leveduras, são 
cultivadas em um meio contendo extrato de chá e açúcar. O fermentando é 
entanto consumido e a celulose não consumida (rica em cultura microbiana) 
pode ser reutilizada. 
Por fim, a indústria de celulose e papel é outra área de potenciais 
aplicações para a CB, sendo explorado como um aglutinante em papéis que, por 
consistir em aglomerados extremamente pequenos de microfibrilas de celulose, 
aumenta muito a resistência e a durabilidade da polpa. Com base nisso, sugere-
se sua aplicação no reparo de documentos importantes e como papel para 
moeda (longa duração e circulação). 
Com isso, finalizamos a discussão do último tema desta aula, ressaltando 
a importância da estrutura química da celulose na compreensão das suas 
propriedades químicas, físicas e biológicas. Demos especial atenção aqui à 
produção de celulose bacteriana, a partir do uso de bactérias capazes de 
converter glucose no biopolímero, que apresenta características importantes 
para diversas aplicações. 
FINALIZANDO 
Nesta aula, você teve a oportunidade de relembrar conceitos importantes 
relacionados à maioria dos bioprocessos, seja de maneira direta (quando fazem 
parte de parâmetros de processo intencionalmente planejados) ou de maneira 
indireta (quando se apresentam como medidas de etapas do processo). Lembre-
se de que compreender os aspectos discutidos nesta aula pode auxiliar na 
otimização do bioprocesso, resultando em maior rendimento dos produtos, 
eficiência e recuperação do biocatalisador utilizado, tratamento do meio 
reacional ao final, entre outros. 
Discutimos a importância de observar aspectos da estrutura química dos 
diferentes compostos envolvidos (enzimas, ácidos, solventes, surfactantes e 
celulose) na interpretação das propriedades observadas. Muitas vezes essas 
características nos ajudam a compreender as etapas dos bioprocessos bem 
como suas aplicações. 
Reforçamos ainda o uso desses compostos em bioprocessos e/ou como 
podem ser obtidos com o auxílio de processos enzimáticos ou microrganismos. 
Foi possível também perceber que existe uma gama de possibilidades, 
 
 
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reforçando a importância que a engenharia de bioprocessos representa no futuro 
próximo. 
Alguns desafios demandam estudo para otimização desses processos 
biotecnológicos, mas ficou evidente a relevância dos diferentes biopolímeros e 
bioprocessos na vida cotidiana (bens de consumo, produtos de valor agregado, 
remediação ambiental etc.). 
 
 
 
 
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