Aula 06 Fermentao Semi solida Enriquecimento protico

Prévia do material em texto

Processo fermentativo
2017.1
FERMENTAÇÃO SEMI-SÓLIDA
Disciplina:
Engenharia Bioquímica
Engenharia Bioquímica
2017.1
O QUE É??
O termo fermentação em estado sólido,
ou fermentação semissólida, ou fermentação
em meio semissólido aplica-se ao processo
de crescimento de microrganismos sobre
substratos sólidos sem a presença de água
livre. A água presente nesses sistemas
encontra-se ligada á fase sólida, formando
uma fina camada na superfície das partículas.
Fermentação em Estado Sólido
Essa forma de processo também pode
ser denominada de fermentação em
substrato sólido, fermentação em meio semi-
sólido ou fermentação meio-sólida. Como
abreviaturas são conhecidas FES, FSS e
FMS.
A fermentação em estado sólido pode
ser definida como:
Fermentação em Estado Sólido
• É o processo que se refere a cultivos de microrganismos 
sobre ou dentro de partículas em matriz sólida.
É denominado: Fermentação em substrato sólido, em meio 
semi-sólido, ou Fermentação semi-sólida (FSS, FMS ou 
FES)
Fermentação em Estado Sólido
Honorato 2001
Silva 2011
Fermentação em Estado Sólido
“Processos que referem-se a cultura de microrganismos
sobre ou dentro de partículas em matriz sólida (substrato ou
material inerte), onde o conteúdo de líquido (substrato ou meio
umidificante) ligado a ela está a um nível de atividade de água
que, por um lado, assegure o crescimento e metabolismo das
células e, por outro, não exceda a máxima capacidade de
ligação da água com a matriz sólida”.
“O termo fermentação em estado sólido aplica-se ao processo
de crescimento de microrganismos sobre substratos sólidos
sem a presença de água livre. A água presente nesses sistemas
encontra-se ligada à fase sólida, formando uma fina camada na
superfície das partículas”.
Microrganismos comumente utilizados
Os processos de fermentação em estado sólido podem
utilizar:
Mo’s em seu estado 
natural
Culturas puras Culturas mistas
Microrganismos comumente utilizados
Qualquer microrganismo pode ser utilizado em fermentações
sólidas (Bactérias, leveduras ou fungos). Devido aos baixos níveis de
água no sistema, os fungos filamentosos apresentam melhor
capacidade de crescimento nestas condições.
Algumas das aplicações destas enzimas nas indústrias de alimentos tem a
função de incluir o amadurecimento de frutas, clarificação e redução de
viscosidade em sucos de frutas, tratamento preliminar do suco de uva para as
indústrias vinícolas, extração de polpa de tomate, fermentação de chá e chocolate,
tratamento de resíduos vegetais, degomagem de fibras nas indústrias têxtil e de
papel, nutrição animal, enriquecimento proteico de alimentos e extração de óleos.
Substratos: TERMOS GERAIS 
composição
O termo fermentação em estado sólido remete a dois tipos de materiais insolúveis em
água, sobre os quais os microrganismos irão crescer:
1) Quando o suporte sólido atua ele próprio como fonte de nutrientes;
2) Ou só como suporte para os microrganismos que estão aderidos a uma matriz
sólida, inerte ou não.
Exemplos:
 Produção de esporos de Aspergillus niger em sabugo de milho umedecido
com solução de sacarose;
 Utilização de solução de glicose e nutrientes umedecendo bagaço de cana
para a produção de ácido lático;
 Obtenção de álcool etílico em bagaço de cana, produzindo as enzimas
específicas.
Diversas matérias-primas, dentre estas,
principalmente diversos tipos de resíduos
agroindustriais, podem ser empregados na
fermentação sólida. A escolha de cada meio,
logicamente, irá depender do produto final
que se deseja obter. Pode-se exemplificar os
seguintes materiais:
Substratos: composição – exemplos
Materiais Produção de
Farelo e palha de trigo, farinha e farelo de soja, farinha de mandioca, 
palha e quirera de arroz, melaço e bagaço de cana
Enzimas
Usos: tratamentos preliminar do suco de uva, amadurecimento de 
frutas, extração de óleos... .
Pectinases/amilases/polygalactu
ronase
Sorgo, polpa de beterraba, de uva, vagens de algaroba, melaço de cana, 
resíduos.
Álcool
Resíduos de banana, farinha, resíduos sólidos do processamento de 
mandioca, espiga de milho, bagaço de laranja, cana-de-açúcar, bagaço 
de cana, melaço, vinhaça, farelo e palha de trigo, grão-de-bico, 
beterraba, polpa de café, polpa de batata doce
Enriquecimento protéico
Bagaço de cana, água de maceração de milho, lactose, sacarose e farelo 
de trigo
Antibióticos
Grãos de milho, alfafa e aveia, grãos de sorgo, soja, trigo, amendoim, 
milho e arroz
Produção de toxinas
Farelo de trigo, beterraba, bagaço de cana e melaço Ácidos orgânicos
Soja (hamanatto, tempeh, miso, natto, shoyu), pasta de amendoim 
(ontjom), peixe (katsuobushi) e mandioca (gari, kokonte, lafun)
Alimentos e condimentos 
orientais e africanos
Materiais: TERMOS GERAIS 
Produção
Alcântara 2002
Produtos que podem ser obtidos por fermentação em estado sólido a partir de diferentes 
resíduos e fungos filamentosos
PINTO, G.A.S. Produção de tanase por Aspergillus niger. 2003. 207p. Tese (Doutorado em Tecnologia de Processos Químicos e 
Bioquímicos) - Escola de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.
Produto Microrganismo Materiais
Natto Bacillus natto Soja
Tempê Rhizopus oligosporus Soja
Queijo Penicillium roqueforti Trigo
Massa de pão
Saccharomyces cerevisiae, 
Lactobacillus sanfrancisco
Trigo
Saquê Aspergillus oryzae, A. kawachii Arroz, cevada
Missô A. oryzae Soja, arroz
Shoyu A. sojae
Soja, trigo
Exemplos de alimentos produzidos por fermentação em estado sólido
Substratos: características
O substrato (matriz sólida) deve ter algumas
características que possibilitem o maior rendimento do
processo. A principal peculiaridade é o alto grau de
acessibilidade do microrganismo a todo o meio e, para
tanto, as características mais importantes são:
Porosidade:
Substratos: características
Granulometria própria visando
permitir a circulação do ar por
entre a massa e a dissipação
dos gases e calor produzidos.
Substratos: características – exemplos
A figura abaixo apresenta a velocidade de fermentação, avaliada pela
porcentagem de CO2 produzida no decorrer do processo, em função do
tamanho das partículas do meio sólido.
Fonte: Figueiredo 2014
Substratos: preparo
Boa parte dos substrato utilizados na
fermentação em estado sólido necessitam de um pré-
tratamento para se adequarem as condições
necessárias de crescimento dos microrganismos e a
produção dos metabólitos. Assim, para facilitar a
atuação dos microrganismos sobre o meio, podem ser
empregados os processos de:
Substratos: preparo
 Esmagamento, quebra, moagem e peneiramento, visando
adequar o meio à granulometria mais adequada do processo;
 Suplementação de nutrientes e correção do pH, para suprir a
falta de algum nutriente ou adequar às melhores condições de
crescimento microbiano;
 Hidrólise ácida ou alcalina de material celulósico, visando
facilitar a atuação enzimática;
Substratos: preparo
Embebição: para regular o teor de umidade inicial;
 Vaporização ou aquecimento, visando a
gelatinização ou inchamento do substrato;
 Processo de esterilização, que visa a diminuição
ou eliminação de possíveis contaminantes.
Biorreatores para Fermentação Sólida
A forma empregada em praticamente todos os
estudos diz respeito ao processo em batelada no qual
o meio é adicionado ao reator, ocorrendo a inoculação
do substrato e a incubação do mesmo por um
determinado período de tempo.
A seguir, o produto obtido pode ser extraído por
suspensão do meio com água, soluções-tampão ou
solventes (como no caso de enzimas, ácidos,álcool,
etc.) ou simplesmente secado e armazenado (produção
de bioinseticidas ou proteína microbiana).
Biorreatores para Fermentação Sólida
Outros modos de condução do processo são citados, tais como:
 Fermentação semicontínua na obtenção de ácido
cítrico;
 Fermentação por batelada alimentada na obtenção de
ácido giberélico;
 Fermentação contínua para a produção de enzimas
fúngicas.
Biorreatores
Reatores de vidro: utilizados em pesquisas laboratoriais.
Reatores de vidro
Cândido 2000
Biorreatores
Bandejas: podem ter fundo inteiriço ou serem perfuradas. A
disposição das bandejas deve ter local apropriado, podendo serem
utilizadas salas com estantes e circulação de ar natural ou forçada,
passando antes por umidificadores.
Bandejas: com meio de cultura e vazia com 
fundo perfurado.
Xavier 2008
Biorreatores
Tanques circulares: consiste de dois tanques rotatórios de 7 m de diâmetro,
com um agitador helicoidal, dentro de uma câmara de condições controladas.
Podem ser processados, a cada batelada, cerca de 2 a 3 toneladas de meio de
cultura, com alimentação, esterilização, inoculação e retirada do produto
realizados.
Esteira rolante: este sistema é uma variante do fermentador de bandejas. As
etapas de inoculação e incubação do material são realizadas em longas
esteiras de fundo perfurado por onde circula o ar úmido.
Biorreatores
Tubular horizontal (Tambor rotativo): o substrato é esterilizado e resfriado
diretamente no tambor. A rotação do reator pode variar de 1 até 180 rpm. A
agitação do substrato pode ser realizada pela simples rotação do reator ou por
agitador central contendo número variável de pás (denominado fermentador
tubular com agitação interna).
Biorreatores
Tubular vertical (fermentador tipo coluna): muito utilizado em
pesquisas. Podem ser construídos de vidro ou aço inox, com
dimensões de 2 a 40 cm de diâmetro por 20 a 180 cm de altura,
permitindo uma capacidade entre 8 a 10 kg por batelada.
Biorreatores
Tambor rotativo
Fonte: Ângelo 2011
Biorreatores
Inerte;
Rotativo manual;
Rotativo mecânico.
Farelo Enriquecido 
Fermentação semi-sólida
RESÍDUOS
FRAÇÃO SÓLIDA (farelo)
PREPARAÇÃO DO SUBSTRATO
INOCULAÇÃO DO MICRORNANISMO
FERMENTAÇÃO SEMI-SÓLIDA DO 
FARELO DA ALGAROBA 
(BIORREATORES)
SECAGEM 24 HORAS/ 55 0C
ARMAZENAMENTO EM POTES 
HERMÉTICOS – - 15 0C
DETERMINAÇÃO DE PROTEÍNA BRUTA E AUMENTO 
PROTÉICO
ATIVIDADE DE 
ÁGUA
ANÁLISES
FIGURA : Fluxograma experimental do enriquecimento nutricional do resíduo da algaroba. 
pH e UMIDADE
Material e Métodos
Experimentos/
temp. (0C)
Tempo de fermentação (h)
0 2 4 6 12 24 48 72 96
1 (30 0C)
9,66 11,08 9,46 10,47 15,33 10,07 10,47
11,89 11,28
2 (30 0C)
11,82
13,51 14,93 16,14 17,15 13,10 12,09 12,29 12,09
3 (40 0C)
10,88
16,14 10,07 16,14 17,76 23,64 16,55 16,95 16,14
4 (40 0C)
13,71
20,40 20,19 21,41 17,15 26,27 22,22 23,64 22,22
5 (35 0C)
12,50
13,51 12,90 13,71 10,47 13,10 11,69 14,12 10,88
6 (35 0C)
12,29
13,01 11,48 12,09 12,29 12,90 12,09 14,32 14,12
7 (35 0C)
11,89
12,09 11,48 11,69 8,65 10,07 9,05 15,74 13,10
Tabela : Valores de proteína bruta durante o processo de fermentação semi-sólida
Proteína Bruta 
Resultados e Discussão – Enriquecimento nutricional
Vantagens do semi-sólido
O meio é geralmente simples, consistindo de produtos
agrícolas não refinados que podem conter todos os nutrientes
necessários para o crescimento do microrganismo. Isto
significa que o pré–tratamento pode ser simplesmente, um
cozimento com água para umidificar ou
dilatar o substrato, ou a quebra do substrato na superfície
para aumentar a acessibilidade aos nutrientes internos ou a
moagem de grandes blocos de substrato para partículas
menores;
Vantagens do semi-sólido
* Espaço ocupado pelo equipamento de fermentação é
pequeno, considerando-se o rendimento do produto. Utiliza-se
menor quantidade de água e o substrato é concentrado;
Vantagens do semi-sólido
* O meio é facilmente aerado, desde que haja espaço entre as
partículas do substrato;
* A solubilidade e difusão de oxigênio e outros
gases, são maiores em FSS;
Geralmente, o único componente necessário a ser adicionado
ao meio é água, embora, ocasionalmente, outros nutrientes
como fonte de nitrogênio ou minerais possam ser
adicionados;
Vantagens do semi-sólido
* Menor custo dos equipamentos;
Desvantagens do semi-sólido
* Os tipos de microrganismos que podem ser usados são
limitados, em função das condições do processo, tais como:
baixa concentração de água livre. Os mais utilizados são fungos
e algumas leveduras;
* Em operações de grande escala, o calor gerado pelo
metabolismo microbiano deve ser removido, o que se
torna mais difícil na FSS que no processo submerso;
Desvantagens do semi-sólido
* A transferência de oxigênio entre as partículas do meio
pode se tornar um problema, quando se utiliza granulometria
do substrato muito elevado;
* Medidas de pH, O2, CO2 e cálculo de rendimento de produto
são mais complexos;
* Controle de temperatura é crítico e, muitas vezes, é
necessário controlar a composição da atmosfera no que diz
respeito a O2, CO2 e outros metabólitos voláteis;
Desvantagens do semi-sólido
* Contrariamente á simplicidade de operação da FSS, a
heterogeneidade da mistura dificulta o controle de
crescimento microbiano e de variáveis como agitação,
aeração e concentração de nutrientes e produtos;
Produção Ácido Cítrico
(Resumo)
• É um constituinte de frutas cítricas, como as laranjas e limões e
por muito tempo estes eram suas únicas fontes industrias;
• Nos últimos 100 anos, foi identificado como um produto do
metabolismo de fungos;
• Aproximadamente 300 mil toneladas de ácido cítrico são
produzidos todo ano nos Estados Unidos(muitas produzidas
pelo fungo Aspergillus Níger, utilizando o melaço como
substrato).
Utilização %
 Alimentos e bebidas (64 %) como aromatizante.
 Detergentes e produtos de limpeza (22 %);
 Produtos farmacêuticos e nutricionais (10 %): em
produtos efervescentes; anticoagulante;
 Indústria cosmética (2 %) para ajuste de pH;
 Outras aplicações (2 %): estanhagem, preparo de 
corantes e resinas;
Produção Mundial de ácido cítrico
• 1.4 milhões ton/ano (US$ 2/kg a US$ 0,70 – 0,80/kg);
• Crescimento anual da demanda: 3.5 – 4.0%;
• Empresas produtoras: ADM, Cargill, Tate & Lyle, DSM, 
Junbunzlauer;
• Israel’s Gadot Biochemical Industries, China’s Anhui
BBCA Biochemical.
Escola de Química / UFRJ
SISTEMAS DE PRODUÇÃO
Escola de Química / UFRJ
• Em Superfície;
• Bandejas de alumínio ou de inox (esterilizadas com 
álcool ou formol diluído);
• Inoculação com uma suspensão de esporos de
Aspergillus niger;
• Câmaras com controle de temperatura, umidade e ar estéril;
• Tempo: 05 dias;
• Relação volume / área da bandeja de fermentação. 
Sistemas de Produção
Escola de Química / UFRJ
• Desenvolvimento de microrganismos em ambiente com
baixa atividade de água sobre material insolúvel que
atua tanto como suporte físico e como fonte de
nutrientes;
• Não é requerido pré-tratamento do substrato ( bagaço de
• cana);
• pH inicial: 4.5–6.0; 
• Temperatura: 28–30 °C.
Ácido Cítrico
• O ácido cítrico é obtido na indústria graças
à fermentação da sacarose realizada por
um microrganismo chamado Aspergillus niger. O processo de
obtenção apresenta várias fases como a preparação do
substrato de melaço, a fermentação aeróbica da sacarose pelo
Aspergillus, a separação do ácido cítrico do substrato por
precipitação ao adicionar hidróxido de cálcio, ou cal apagada,
para formar citrato de cálcioe, depois, é adicionado ácido
sulfúrico para decompor o citrato de cálcio.
Ácido Cítrico
A eliminação das impurezas é realizada com carvão ativado ou
resinas de troca iônica, continuando com a cristalização do
ácido cítrico, secagem ou desidratação, e o empacotamento
do produto.
Processo fermentativo
2017.1
FERMENTAÇÃO SEMI-SÓLIDA
Disciplina:
Engenharia Bioquímica