Biorreatores e Metabolismo Microbiano

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28/09/2013
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Universidade Federal do Rio de JaneiroUniversidade Federal do Rio de Janeiro
Campus MacaéCampus Macaé
Disciplina de Biologia Celular e BiotecnologiaDisciplina de Biologia Celular e Biotecnologia
MACAÉ-RJ
SETEMBRO DE 2013
BIOPROCESSOSBIOPROCESSOS
Bioprocessos são procedimentos tecnológicos que
utilizam sistemas biológicos, organismos vivos, seus
componentes e derivados para produzir ou modificar produtos
ou processos para um determinado uso, ou seja, é a
biotransformação de matéria prima em produto.
INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO
Quais são esses produtos?Quais são esses produtos?
INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO
E como ocorre a síntese desses produtos?E como ocorre a síntese desses produtos?
Biorreatores, responsáveis por uma grande quantidade
de reações executadas por biocatalisadores (enzimas ou
células vivas).
BIORREATORESBIORREATORES
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BIORREATORESBIORREATORES BIORREATORESBIORREATORES
Em qualquer processo biotecnológico industrial, o
elemento principal é o reator, pois neles podemos obter as
transformações desejadas, devidamente controladas.
Quando os agentes das transformações são enzimas, o
processo se chama enzimático.
Quando os agentes das transformações são
microrganismos vivos, o processo é denominado processo
fermentativo.
METABOLISMO MICROBIANOMETABOLISMO MICROBIANO
Metabolismo corresponde ao conjunto de todas as
reações químicas, incluindo as de degradação (catabolismo) e
de síntese (anabolismo) de substâncias em um organismo.
Nas vias catabólicas, a degradação de compostos
orgânicos em moléculas menores libera energia; uma parte
desta será acumulada sob a forma de ATP (trifosfato de
adenosina), e a restante dissipada como calor.
METABOLISMO MICROBIANOMETABOLISMO MICROBIANO
Respiração e fermentação são as principais vias
catabólicas. A quantidade de energia liberada e os produtos
finais diferem se a oxidação do composto orgânico for total ou
parcial.
Na glicólise, a glicose é degradada até uma molécula de
três carbonos, o piruvato. Em presença de oxigênio, a entrada
do piruvato no ciclo de Krebs permitem a quebra da glicose em
CO2 e H2O, liberando uma grande quantidade de energia sob a
forma de ATP (respiração aeróbia).
METABOLISMO MICROBIANOMETABOLISMO MICROBIANO
Mediante a redução do piruvato ou de algum de seus
derivados (fermentação), vários microrganismos geram outras
substâncias orgânicas: como por exemplo, o etanol e o ácido
láctico.
Estas reações ocorrem geralmente em ambientes onde
o substrato é abundante, sendo pequena a quantidade de
energia obtida. Dependendo das condições ambientais,
algumas leveduras e bactérias (assim como as células
musculares) podem respirar ou fermentar.
METABOLISMO MICROBIANOMETABOLISMO MICROBIANO
Respiração aeróbica
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + ENERGIA (↑)
Fermentação alcoólica (leveduras como S. cerevisae e 
algumas bactérias).
C6H12O6 → CH3CH2OH + CO2 + ENERGIA (↓)
Fermentação lática (bactérias como Streptococos e 
Lactobacilus).
C6H12O6 → CH3 CHOH COOH + ENERGIA (↓)
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METABOLISMO MICROBIANOMETABOLISMO MICROBIANO BIORREATORESBIORREATORES
De um modo geral, quando os microrganismos se
desenvolvem em um meio com uma quantidade limitada de
nutrientes, a população passa por diversas fases.
CRESCIMENTO MICROBIANOCRESCIMENTO MICROBIANO CRESCIMENTO MICROBIANOCRESCIMENTO MICROBIANO
Fase lag: período de adaptação, os microrganismos
sintetizam enzimas e constituintes celulares.
Fase log: a população cresce de maneira exponencial.
Fase estacionária: devido ao esgotamento dos nutrientes
e à acumulação de excretas, algumas células morrem,
enquanto outras se dividem.
Fase de declínio: sem a renovação dos nutrientes, as
células morrem em um tempo variável.
CRESCIMENTO MICROBIANOCRESCIMENTO MICROBIANO
O crescimento microbiano pode ser estimado da
seguinte forma:
Nn = 2n x N0, onde “n” refere-se a quantidade de
gerações e “N0” a quantidade de bactérias na geração
inicial.
Qual o número de células que uma determinada
bactéria irá produzir após 10 gerações?
Como deve ser o meio para o crescimento do Como deve ser o meio para o crescimento do 
microorganismomicroorganismo??
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BIORREATORESBIORREATORES
Sistema Asséptico, onde as condições de assepsia são
pré-requisitos necessários para a formação do produto.
Sistema Não Asséptico, não há a necessidade de obter
um meio completamente livre de impurezas.
BIORREATORESBIORREATORES
Produção artesanal de vinho
BIORREATORESBIORREATORES BIORREATORESBIORREATORES
Pequena escala: entre 1 e 5 m3 de capacidade, cultivo
de microrganismos patogênicos, ou para crescimento de
células animais ou vegetais. Em geral, seu uso tem como
objetivo produtos ligados à área de saúde.
Escala intermediária: entre 100 a 200 m3 empregado na
produção de enzimas, antibióticos e vitaminas.
BIORREATORESBIORREATORES BIORREATORESBIORREATORES
Grande escala: reatores com milhares de metros
cúbicos de capacidade - para processos que exigem poucos
ou até mesmo nenhum cuidado de assepsia: fermentação
alcoólica ou do tratamento biológico de resíduos.
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BIORREATORESBIORREATORES
Cobre - (cervejarias – resistência a ação das leveduras);
Alumínio – raramente utilizado pois reagentes podem atacá-lo;
Níquel – elevada resistência à corrosão;
Titânio – muito resistente, mas de alto custo;
Vidro – instalação de visores;
Plásticos – resistentes à corrosão, mas alguns não resistem
muito a solventes (polietileno, polipropileno e PVC)
Aço carbono – (Ferro + carbono): empregados na produção de
penicilina. Não é mais utilizado devido à dificuldade de limpeza
e contaminação do produto.
Todo o Bioprocesso deve resultar em um Todo o Bioprocesso deve resultar em um 
produto direto?produto direto?
BIORREATORESBIORREATORES
ETE domiciliarETE domiciliar
Todo o Biorreator deve ser um equipamento Todo o Biorreator deve ser um equipamento 
elaborado?elaborado?
BIOFERTILIZANTESBIOFERTILIZANTES
Fertilizantes com a presença de microorganismos vivos;
Preparados com esterco (bovino, aves), água e outros
materiais.
Podem ser líquidos ou em forma de compostos. Qual a finalidade do biofertilizante?Qual a finalidade do biofertilizante?
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Nutrição vegetal;
Reaproveitamento de resíduos;
Baixo custo.
BIOFERTILIZANTESBIOFERTILIZANTES
Há interesse a nível industrial?Há interesse a nível industrial?
BIOFERTILIZANTESBIOFERTILIZANTES BIODIGESTORESBIODIGESTORES
Biodigestores, são equipamentos que possibilitam o
reaproveitamento de detritos, gerando biogás e biofertilizantes.
BIODIGESTORESBIODIGESTORES