Aula 2 - Eng BioQuimica B

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Processo Fermentativo Genérico:
Aula 2
 
Conceitos; Matérias Primas; Preparo do Mosto;
Preparo do Inóculo;
Referências: Livro: Biotecnologia Industrial Walter Borzani. Vol 2 – Cap 2
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PROCESSOS BIOQUÍMICOS
Processos Fermentativos:
 Produção de Etanol, BioDiesel e Bebidas, Antibióticos, Enzimas, Biopolímeros, Hormônios;
Tratamento de Resíduos:
Biorremediação e Tratamento de Efluentes;
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PROCESSOS BIOQUÍMICOS
 BIOTECNOLOGIA: Conjunto de conhecimentos técnicos e métodos, de base científica e prática, que permite a utilização de seres vivos como parte integrante e ativa do processo industrial. 	
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TIPOS DE PROCESSOS BIOQUÍMICOS
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 PROCESSOS DE BIOTRANSFORMAÇÃO 
Processos Desassimilitavos (Catabólico): 
Degradação do substrato (molécula complexa) produzindo moléculas mais simples;
O processo gera energia (ATP):
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Processos Assimilativos (Anabólicos):
 A partir de substratos simples são sintetizados produtos mais complexos, com gasto de energia.
Ex: Obtenção de antibióticos, enzimas, proteínas e hormônios;
PROCESSOS DE BIOTRANSFORMAÇÃO
n
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Processos de Biotransformação
 Exemplos
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 Produtos Biotecnológicos
 Volume x Valor
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Importância dos processos fermentativos na indústria
de alimentos:
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	VINAGRE
“Vinho azedo”
Etapa de fermentação alcoólica seguida da fermentação acética (fermentação bacteriana).
As bactérias acéticas diferem da maioria das outras bactérias pelo fato de não oxidarem completamente suas fontes de energia até CO2 + H2O, sendo produzidas pequenas quantidades de outros aldeídos, cetonas
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Importância dos processos fermentativos na indústria química, farmacêutica e na agricultura:
Etanol: químico, doméstico, carburante;
Ácidos orgânicos: cítrico, lático, acético, etc.;
Solvente: acetona, butanol, etc.;
Enzimas: amilases, proteases, lipases, pectinases, lactase, entre outras;
Vitaminas: ergosterol, ácido ascórbico, etc.;
Antibióticos: penicilina;
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OUTRAS APLICAÇÕES INDUSTRIAIS
INDÚSTRIA DE PAPEL E CELULOSE
Reciclagem de papel:
Destingimento:
Processo Químico para remoção da tinta: Solução altamente alcalina – escurecimento da celulose;
Tratamento enzimático:
Utilização de Celulases
Não agem sobre a tinta, agem sobre a celulose que retêm as partículas de tinta do papel
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INDÚSTRIA DO COURO
Couros crus e pele contêm proteínas e gorduras entre as fibras 
 O processo usado até agora envolvia sulfureto de sódio, um químico com um cheiro tão intenso que é impossível passar por uma fábrica de curtumes sem dar por ela. 
 Em alternativa, foi sugerido à indústria que passe a usar enzimas – o mau cheiro desaparece e a carga poluente dos efluentes é eliminada.
Usa-se a amilase bacteriana (Bacillus subtilis e Bacillus lichenformis) estável ao calor para eliminar a goma dos produtos têxteis, substituindo os ácidos e álcalis na hidrólise do amido.
INDÚSTRIA TÊXTIL
OUTRAS APLICAÇÕES INDUSTRIAIS
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OUTRAS APLICAÇÕES INDUSTRIAIS
 Produtos de limpeza
Ex. Detergentes
40% da produção mundial de enzimas é utilizada pela indústria da limpeza;
Alta atividade sobre a matéria orgânica:
PROTEASES
Eliminam manchas de ovo, sangre, suor, extratos vegetais;
Desenvolvimento de enzimas atuantes em T elevada e PH alcalino;
LIPASE
Degrada lipídeos (óleos e gorduras)
Estáveis em pH alcalino;
AMILASE
Remoção de resíduos de alimento que contém amido
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Exemplo de enzimas digestivas 
 e suas funções:
	Enzimas que hidrolisam: ASE
Amilases: encontrada na saliva e pâncreas: digerem o amido.
Pepsina: encontrada no estômago: age sobre as proteínas; Necessidade de um ambiente ácido.
Lipases: produzida no pâncreas e intestino: quebram gorduras;
Lactase: produzida no intestino: quebra a lactose em glicose
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PROCESSOS BIOQUÍMICOS
 ETAPAS FUNDAMENTAIS
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FASES DE UM PROCESSO BIOQUÍMICO
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 CONCEITOS 
1.Fermentação:
Consiste na conversão/transformação de uma substância em outra, através do metabolismo microbiano, ou seja através de uma sequência de reações catalisadas por enzimas, quando submetido a condições ambientais propícias.
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 2. Enzimas
Catalisador biológico de natureza proteica, elaborado por seres vivos, de altíssima especificidade e estável e em faixas restritas de T e pH.
A instabilidade das enzimas faz com que seja necessário um rigoroso controle do pH, T, força iônica, salinidade no meio.
Como o catalisador (enzima) é produzido “in loco” pelo microorganismo (ser vivo) é o que difere a Engenharia Bioquímica da Engenharia Química;
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Extraordinária especificidade e poder catalítico, que são muito superiores aos dos catalisadores produzidos pelo homem; 
Praticamente todas as reações que caracterizam o metabolismo celular são catalisadas por enzimas;
As enzimas operam em condições brandas- faixas estreitas de:
pH
Temperatura
Força iônica
Pressão Osmótica
Especificidade: Enzima específica para uma dado substrato;
Sítio Ativo: Parte da enzima que se liga ao substrato;
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 3. Substrato 
É a substância química cuja estrutura, ou parte da mesma, está presente na molécula do produto. Pode ser de natureza orgânica (açucares) ou inorgânica (CO2, sais inorgânicos) a fonte de carbono. 
É a molécula que sofre a transformação química;
Matéria prima: é a fonte de substrato:
Glicose: 6C’s
Sacarose: 12 C’s
Amido: nC’s 
Celulose:
 Polímero de
 Glicose
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 4.Nutrientes
Substâncias necessárias ao crescimento e reprodução dos microorganismos:
Fontes de C, N, S, etc
A absorção desses compostos se dá por diferença de concentração.
Água;
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 5. Excreta
Produto final, ou intermediário, que se acumula no interior da célula e depois é excretado para o meio;
Normalmente, os produtos que conseguem atravessar a membrana são os produtos de catabolismo. São chamados extracelulares:
 Ex: butanol, etanol, ácido lático
Os produtos no anabolismo são em geral, macromoléculas que permanecem no interior da célula, sendo chamados de intracelulares:
Ex: pigmentos carotenóides, enzima invertase
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		6. Nutrição Holofítica
Nutriente só é absorvido se for previamente dissolvido em água (processo em meio aquoso)
Nutrição característica dos microorganimos de interesse industrial.
		7. Microorganimos
É o agente de fermentação, normalmente uma cultura pura.
É adaptado às condições do processo desde o laboratório até a fase industrial.
 Fontes de agentes microbianos empregados e processos Industriais
	-Isolamento a partir de recursos naturais
 -Compra em coleções de culturas
 -Obtenção de mutantes naturais
 -Obtenção de microorganismos recombinantes por técnicas de engenharia genética
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	 8. Preparo do Inóculo
É a suspensão de microorganismo suficientemente concentrada para garantir a fermentação de uma dado volume de meio de cultura;
Os microorganimos de interesse comercial devem ser obtidos puros e conservados em cultivo artificial;
Cultivo puro: Todas as células são da mesma espécie (ocorre na maioria dos processos industriais)
EX: Produção de antibióticos por cepas de actinomicetos.
Cultivo misto: Várias espécies de microorganimos que atuam em conjunto:
EX: Tratamento de resíduos e maceração de fibras.
Etapas do preparo do Inóculo
FASE DE LABORATÓRIO e FASE INDUSTRIAL
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	 8. Preparo do Inóculo 
 		 Fase Laboratório
A cultura estocada é replicada em volumes sucessivamente maiores (geralmente 10X), sendo incubada a temperatura
adequada . 
Geralmente é utilizado o mesmo meio de cultura)
 - Tempo: tem que respeitar 
 a curva de crescimento 
 (normalmente até o final da
 fase exponencial, quando
 a atividade metabólica é
 máxima)
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Etapas do Processo – Inóculo
Ativação/Propagação
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		 8. Preparo do Inóculo 
 Fase Industrial
Prossegue-se efetuando-se semeaduras em volumes crescentes;
São utilizados propagadores (pequenos fermentadores)
A propagação é realizada até que o volume do inóculo esteja entre 2 a 5% do volume de fermentação.
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	 9. Recuperação do Inóculo
Importante para diminuição do custo operacional;
Após a fermentação, o inóculo é recuperado, ativado e reutilizado  com isso evita-se o consumo de nutrientes e a propagação;
Importante manter um controle da pureza microbiana e da vitalidade da cultura a fim de evitar perdas de rendimento
Ex: Cervejarias: utiliza-se o mesmo inóculo em 5 vezes.
EX: Produção de álcool etílico: pode-se reutilizar a levedura por toda a safra.
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10. Requisitos para a escolha dos Microorganimos
Viabilidade: o agente de fermentação deve ser viável (apresentar grande número de células vivas) e ser de fácil manutenção a temperaturas baixas ou a baixos valores de umidade.
Estabilidade: não apresentar variação ou mutação.
Após várias reproduções continuar com a mesma capacidade.
Potência: Produzir o metabólito desejado com alto rendimento.
A concentração máxima do produto é obtida quando o microorganismo apresenta alta tolerância ao excreta.
Inocuidade: Não deve ser patogênico.
Não exigir condições de processo muito complexas;
Não exigir meios de cultura dispendiosos.
Permitir a rápida liberação do produto no meio
Permitir o acúmulo do produto no meio de forma a se ter elevada concentração de produto no mosto fermentado
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11. Meios de Cultura (MOSTO)
Preparado utilizando-se a matéria prima e os nutrientes por ventura necessários;
Pode ser necessário a realização de pre-tratamento da matéria prima;
O meio de cultivo pode ser esterelizado ou não, de acordo com as exigências do processo.
 CARACTERÍSTICAS DESEJADAS DO MEIO DE FERMENTAÇÃO
Ser o mais barato possível (disponibilidade de matéria prima)
Atender as exigências nutricionais do microorganimos
Estabilidade dos componentes durante a armazenagem
Ter composição razoavelmente fixa
Não causar dificuldades na recuperação do produto ou no tratamento final do(s) resíduos(s).
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				 12. Fermentação 
Processo tem início após a inoculação do mosto;
O processo fermentativo deve ser controlado a fim de garantir a manutenção das condições operacionais, durante todo o período.
Controle de pH, Temperatura, Oxigênio dissolvido e a formação de espuma.
A cinética do processo deve ser acompanhada através do crescimento celular, consumo do substrato e da formação de produto ao longo do tempo.
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	13. Recuperação do Produto da 	Fermentação
De fundamental importância
Pode representar até 70% do custo fixo total do processo;
Como a nutrição dos microorganimos é holofílica, as concentrações de produto obtidas no mosto fermentado, são baixas devido à necessidade de diluição e a inibição dos microorganismos pelos próprios produtos formados na fermentação que são, muitas vezes, tóxicos. 
Baixas concentrações não significam baixos rendimentos.