Engenharia Bioquímica

Prévia do material em texto

Engenharia Bioquímica
G.01) Quais os elementos químicos de que é composta uma célula?
A composição química da célula pode variar conforme o tipo celular, mas os componentes essenciais estão presentes em todas e em todos os seres vivos. Existem dois tipos de substâncias nas células: substâncias inorgânicas e orgânicas, sendo que as primeiras são a água e os sais minerais. Já os orgânicos são os carboidratos, lipídios, proteínas e ácidos nucléicos. Sendo que os mais abundantes elementos químicos são o carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, entre outros elementos que estão presentes em menor quantidade.
COMPOSIÇÃO Química da Célula. Disponível em: <https://interna.coceducacao.com.br/ebook/pages/269.htm>. Acesso em: 18 abr. 2018.
Planeta Biologia. A composição química da célula. Disponível em: <https://planetabiologia.com/a-composicao-quimica-da-celula/>. Acesso em: 18 abr. 2018.
G.02) Qual a diferença entre fermentação e respiração?
A principal diferença entre os processos de respiração e fermentação está na capacidade de quebra das ligações de cada processo. Sendo que o oxigênio está presente na respiração, mas ausente na fermentação, e este é o motivo desta diferença entre os processos, e pode ser melhor visualizado através das equações a seguir:
Respiração: C6H12O6 + 6O2 + 6H2O 6CO2 + 12H2O + energia
Fermentação alcoólica: C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + energia
Assim pode-se observar que na presença de oxigênio obtém-se moléculas mais simples, e sem este elemento formam-se moléculas mais complexas (álcool etílico e ácido láctico) que tem grande potencial de energia.
Ainda, na fermentação é formado menos moléculas de ATP do que na respiração, a qual ocorre em maior parte na mitocôndria, enquanto a fermentação ocorre no hialoplama.
FOLHA DE SÃO PAULO. Resumão/química - respiração, fermentação e atp. Disponível em: <http://www1.folha.uol.com.br/folha/educacao/ult305u6245.shtml>. Acesso em: 18 abr. 2018.
G.03) Cite exemplos práticos de aplicação industrial de leveduras, bactérias e mofos.
As leveduras, bactérias e mofos são bastante utilizados industrialmente, sendo que as bactérias do gênero Lactobacillus são responsáveis pela fermentação láctica, a qual é utilizada na produção de iogurtes, leites fermentados e outras bebidas lácteas. Já no queijo é utilizada a bactéria Lactococci, Lactobacilli ou Streptoccci. E ainda no queijo suíço a bactéria Propionibacterium, que é utilizada na sua maturação, produzindo CO2 que formará os buracos característicos deste tipo de alimento.
Além do fungo Penicillium que é introduzido nos queijos azuis e Roquefort, para sua maturação, sendo que este fungo é aeróbio e necessita de oxigenação. Também o champignon que este presente nas divisões dos Basidiomycota e Ascomycota, os quais são usados em comidas, e processados industrialmente.
Os açúcares presentes na massa do pão são fermentados pelas leveduras da espécie Saccharomyces cerevisiae as quais também são utilizadas na fermentação da cerveja e uísques a partir de grãos e na fermentação do vinho a partir de uvas.
TORTORA, Gerard J.; FUNKE, Berdell R.. Microbiologia. Porto Alegre: Artmed, 2012.
TERRA. Bactérias e fungos. Disponível em: <https://www.terra.com.br/noticias/educacao/infograficos/bacterias-e-fungos/bacterias-e-fungos-01.htm>. Acesso em: 18 abr. 2018.
G.04) Quais os principais substratos utilizados na indústria para processos fermentativos?
Os substratos mais utilizados em industrias são os açucares, soro de leite, alcanos, amido, celulose, melaços, óleos, metanol, etanol, gorduras e também líquido de maceração de milho. Sendo que este último é classificado como fonte de nitrogênio e os outros como fonte de carbono.
Esalq USP. TECNOLOGIA DAS FERMENTAÇÕES: Processos Biotecnológicos. Disponível em: <https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/2203710/mod_resource/content/1/2016 Tecnologias fermentacoes.pdf>. Acesso em: 21 abr. 2018
G.05) Como se calcula a produtividade em células para um fermentador batelada e para um fermentador contínuo?
A produtividade é calculada através da equação a seguir:
Porém, tem uma pequena diferença para o cálculo da produtividade em batelada e batelada alimentada. Sendo que para o primeiro caso, considera-se o tempo de preparo, ou seja, inclui a higienização do tanque, alimentação, esterilização do meio, o processo e o tempo de esvaziar o tanque. Já para o processo alimentado é utilizado o tempo de processo.
PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO. Disponível em: <http://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1097178/LOT2041/aula9DESC0NTINUA.pdf>. Acesso em: 21 abr. 2018.
G.06) Faça um gráfico identificando as fases de crescimento de um microrganismo.
A figura a seguir representa as fases de crescimento de um microrganismo:
I: Fase “lag”: não ocorre crescimento dos microrganismos.
II: Fase de exponencial ou “log”: crescimento elevado de biomassa, e ocorre uma maior formação de produto.
III: Fase de desaceleração: diminui a concentração de substrato limitante.
IV: Fase estacionária: termino do substrato, podendo produzir subprodutos que não são de interesse. A velocidade de crescimento dos microrganismos vai diminuindo até atingir a fase em que o número de novos microrganismos é igual ao número de microrganismos que morre.
V: Fase de declínio ou morte: redução do crescimento celular, consumo de matéria intracelular. Sendo que, a quantidade de microrganismos que morre torna-se progressivamente superior àquela dos que surgem.
G.07) Como você realizaria experimentos que lhe permitam determinar os parâmetros cinéticos de Monod e o fator de conversão de substrato em células? Explique.
Deve-se realizar experimentos em reator tipo CSTR não alimentado, que serão obtidos dados de tempo, concentração de biomassa (X) e concentração de substrato (S), e a partir dos dados obtidos, pode-se determinar as constantes cinéticas de Monod.
A conversão de substrato em células, que foi definido por Monod, é determinado pela variação da concentração de células (dX) pela variação de substrato (-dS).
SCHMIDELL, Willibaldo et al. Biotecnologia industrial: Engenharia bioquímica. São Paulo: Edgard Blücher, 2001.
SISTEMAS EEL. Cinética de processos fermentativos. Disponível em: <https://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1097178/lot2041/aula8cineticamicrobiana.pdf>. Acesso em: 21 abr. 2018.
G.08) O que é um nutriente limitante? Quando um nutriente passa a não ser limitante?
Um nutriente limitante é o composto que limita a produção de células, pois está disponível numa quantidade finita, e quando estiver em baixas concentrações e for totalmente absorvido o crescimento populacional é baixo. Seno assim, a elevação da concentração deste nutriente eleva o crescimento populacional. 
Quando este nutriente é adicionado em maiores quantidades, ou seja, mais que o necessário, a concentração se torna tão alta que outro nutriente passa a ser o limitante, por não se apresentar em concentração suficiente para suprir os elevados requisitos da grande população.
CAFÉ MATUTINO. Qual o efeito que isso tem um nutriente limitante em um ecossistema?. Disponível em: <http://cafe-matutino.info/ciencia-e-natureza/natureza/qual-o-efeito-que-isso-tem-um-nutriente-limitante-em-um-ecossistema.php>. Acesso em: 21 abr. 2018.
VON SPERLING, Marcos. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. Belo Horizonte: Ufmg, 1996.
G.09) Que fatores influem na velocidade de crescimento?
A temperatura, pH, pressão osmótica, oxigênio dissolvido, atividade de água, concentração do nutriente limitante, concentração de elementos essenciais (como carbono, nitrogênio, fósforo e enxofre) e principalmente concentração de fatores orgânicos de crescimento (como compostos orgânicos essenciais que o organismo não é capaz de sintetizar e deve ser obtido diretamente do ambiente) são características que influenciam diretamente na velocidade de crescimento microbiano.
TORTORA, Gerard J.; FUNKE, Berdell R.. Microbiologia. Porto Alegre: Artmed, 2012.
G.10) Duranteum processo de fermentação, ocorre considerável consumo de substrato. Analisando a equação de Monod, nota-se que deveria haver uma aparente diminuição na velocidade específica de crescimento, o que não se observa na prática, por quê?
A equação de Monod esta demonstrada a seguir:
Observa-se que esta equação descreve a velocidade especifica de crescimento microbiano (µx) com base na velocidade especifica de crescimento máxima (µm), concentração de substrato (S) e constante de saturação ou constante de Monod (Ks), sendo que a última é uma constante que se mostra eficiente quando apresenta valor menor, ou seja, possui maior afinidade com o microrganismo, permanecendo na fase de crescimento ou “log” por mais tempo.
O substrato utilizado em fermentações apresenta grandes quantidades de nutrientes, e um grande consumo de substrato, não afetará inicialmente na velocidade específica de crescimento, pois a concentração de substrato é muito maior que a concentração do nutriente limitante, sendo que quando esta diferença for considerável, a velocidade específica de crescimento será igual à velocidade específica máxima de crescimento (µx = µm).
Cinética dos Processos Fermentativos. Disponível em: <www.debiq.eel.usp.br/~joaobatista/Cin_tica de Fermenta__o1.ppt>. Acesso em: 09 fev. 2018.
G.11) Comente sobre a cinética de formação de produtos.
A cinética de formação de produtos pode ser avaliada em três casos, onde a formação de produto está associada:
1 - Somente com a atividade da célula em reprodução;
2 - Com a atividade de todas as células em reprodução ou não;
3 - E somente com as células que não se reproduzem.
HISS, Haroldo. Cinética De Fermentações. São Paulo: Clube de Autores, 2009. 654 p. Disponível em: <https://books.google.com.br/books?id=-BlKBQAAQBAJ&pg=PA248&lpg=PA248&dq="cinética+de+formação+de+produtos"&source=bl&ots=t_VroBWwA5&sig=8xI_pbcOY2R6ug4BPWCbEi50REY&hl=pt-BR&sa=X&ved=0ahUKEwj_7_HiwsvaAhXFgZAKHcRfByoQ6AEIJzAA#v=onepage&q="cinética de formação de produtos"&f=false>. Acesso em: 21 abr. 2018.
G.12) Comente sobre modelagem de biorreatores: Processos fermentativos descontínuo, descontínuo alimentado, contínuos.
Batelada ou descontínuo: todos os nutrientes são adicionados antes do início do processo, exceto o oxigênio e controladores de pH e espuma. O volume é praticamente constante, tem menor risco de contaminação e tem grande flexibilidade. Após o termino da batelada, o tanque é descarregado, faz-se a higiene necessária e inicia-se outro procedimento. Uma desvantagem deste processo é se o substrato exercer efeito de inibição, podendo ter baixo rendimento e produtividade, outra é o tempo morto, que está relacionado ao tempo que ele não está fermentando, ou seja, descarga, higiene, alimentação.
Batelada alimentada: adiciona-se gradualmente os nutrientes, durante a fermentação, deste modo o volume varia, a vazão de alimentação pode ser constante ou não, pode-se também controlar a concentração de substrato.
Continuo: apresenta alimentação constante de meio de cultura com um a vazão constante, porém o volume no reator não varia, devido à retirada continua do caldo fermentado. Possui algumas vantagens em relação aos descontínuos, como o aumento da produtividade, manutenção das células em um mesmo estado fisiológico, processo mais uniforme, pode-se associar com outras operações continuas de um processo, menos mão de obra. Entretanto também possui desvantagens, como o custo de investimento inicial, possibilidade de mutação genética espontâneas, maior possibilidade de contaminação, dificuldade de manter a homogeneidade. O processo continuo possui inúmeras possibilidade, como mostra a figura a seguir:
ORNELLAS, Lara. Formas de condução de um processo fermentativo. Disponível em: <http://slideplayer.com.br/slide/3220778/>. Acesso em: 21 abr. 2018.
G.13) Apresente exemplos de produtos: a) associados ao crescimento; b) parcialmente associados ao crescimento; e c) não associados ao crescimento.
Produtos associados ao crescimento: álcool, aminoácidos, nucleotídeos, ácidos orgânicos e enzimas.
Parcialmente associados ao crescimento: produção de ácido acético.
Não associados ao crescimento: penicilina.
CORTE, Sara. Biotecnologia: a aplicação industrial da microbiologia. 2008. Disponível em: <http://slideplayer.com.br/slide/359606/>. Acesso em 13 fev. 2018.
G.14) Explique como se determina a composição de um meio de cultivo.
Levando em consideração a classificação através dos objetivos funcionais de meios de cultura, um método é o enriquecido, que é indicado para o desenvolvimento de microrganismos gerais, pois possui quantidades de nutrientes capazes de cultivar qualquer bactéria. Também existe o método seletivo, que inibem o desenvolvimento de alguns grupos de microrganismos e permite o crescimento de outros. Como o Meio de Cultura Verde Brilhante, utilizado para isolamento seletivo de Salmonella. O método diferenciais, os quais apresentam substancias que podem estabelecer diferenças em microrganismos parecidos. A manutenção é outro procedimento, que viabiliza a conservação de microrganismos no laboratório, um exemplo é o Meio de Cultura Ágar Sabouraud.
E ao analisarmos os meios de cultura em relação à composição química, tem-se: extrato de vegetais: malte e tomate; extrato de animais: carne; microrganismos: levedura; e artificiais: sintéticos.
SPLABOR. Meio de cultura: identificação e cultivo de microorganismos. Disponível em: <http://www.splabor.com.br/blog/meio-de-cultura-2/meio-de-cultura-identificacao-e-cultivo-de-microorganismos/>. Acesso em: 21 abr. 2018.
G.15) Considerando a curva de crescimento bacteriano mostrada na figura abaixo, julgue os itens que se seguem.
O uso de fontes de carbono que reduzem a taxa máxima de crescimento induz o metabolismo secundário durante a fase indicada por 2.
Pode-se reduzir o tempo de duração da fase indicada por 1 ajustando-se as características do inóculo.
A etapa indicada por 2 representa a correlação linear entre a biomassa e o tempo decorrido.
Na etapa indicada por 3, os organismos se multiplicam à taxa de crescimento máximo.
(F) Esta etapa seria a 4, que é chamada de declínio ou morte.
(V)
(F) A correlação é considerada logaritma.
(F) Em 3, ocorre um equilíbrio, e os microrganismos não se multiplicam mais. A etapa onde a taxa de crescimento é máximo é na 2.
G.16) Com referência aos microrganismos objetos das figuras mostradas, julgue os próximos itens.
 
 Figura A 		 	 		Figura B
Caso o microrganismo representado na figura A seja corado pelo método de Gram e, após a coloração, se observe em microscópio ótico que ele apresenta coloração roxa (violeta-azulado), esse microrganismo deverá ser classificado como gram-positivo.
O microrganismo representado na figura A possui peptidoglicano na sua parede celular, enquanto o microrganismo representado na figura B, não. Essa proteína confere forma característica à célula e possui função de proteção.
A figura B pode ser representativa de parte de um fungo filamentoso, organismo multicelular que cresce na forma de filamentos longos e finos denominados hifas, as quais podem ser septadas ou não.
Caso fosse aplicada a coloração de Gram aos microrganismos representados nas figuras A e B, seria possível observar ao microscópio apenas o microrganismo representado na figura A, uma vez que essa coloração é específica para células procarióticas.
Verdadeira.
Falsa. Pois os microrganismos das duas figuras possuem peptidioglicano, só que em quantidades diferentes, o que as caracteriza como gram + ou -.
Verdadeira.
Falsa. Com a aplicação de coloração de Gram nos microrganismos das duas figuras, é possível observar os dois microrganismos.
G.17) A equação simplificada a seguir representa o processo de fermentação realizado por microrganismos como o Saccharomyces cerevisiae (levedura).
A → B + C
A, B e C são, respectivamente:
glicose, água e gás carbônico;
glicose, álcool e gás carbônico; CORRETA
álcool, água e gás carbônico;álcool, glicose e gás oxigênio;
sacarose, gás carbônico e água.