Aula 1 Elementos de Biotecnologia 2015 2

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Fundamentos da Engenharia 
Bioquímica (EQB 367) 
Bioprocessos Industriais (EQB 475) 
 Profa. Andrea Medeiros Salgado DEB-EQ/UFRJ 
Prof. Elcio Ribeiro Borges DEB-EQ/UFRJ 
Profa. Marcella Souza DEB-EQ/UFRJ 
Profa. Maria Antonieta Peixoto Gimenes DEB-EQ/UFRJ 
Profa. Priscilla Filomena Fonseca Amaral DEB-EQ/UFRJ 
 EMENTA EQB367 
 
PARTE TEÓRICA: Histórico e Evolução da Biotecnologia. 
Elementos de Biotecnologia. O Processo Industrial e sua 
Relação com a Fisiologia Microbiana. Estequiometria de 
Bioprocessos Industriais. Classificação de Bioprocessos. 
Equipamentos para Indústrias de Bioprocessos. Número 
econômico de biorreatores e dimensionamento da planta. 
Instrumentação em Bioprocessos. Cinética de crescimento 
microbiano. Cinética de Bioprocessos. Bioprocessos Contínuos 
. Bioprocessos Contínuos. Bioprocessos descontínuos com 
alimentação. Esterilização de meios e equipamentos. 
Esterilização de ar. Aeração de meios. Agitação de meios. 
Extrapolação de escala. 
 
 PARTE PRÁTICA: Determinação do parâmetro Kla. Listas de 
exercícios. Dinâmicas de grupo. Trabalhos. Trabalho final. 
 EMENTA EQB475 
 
Histórico e Evolução da Biotecnologia. Elementos de 
Biotecnologia. O Processo Industrial e sua Relação com a 
Fisiologia Microbiana. Estequiometria de Bioprocessos 
Industriais. Classificação de Bioprocessos. Processos de 
bioconversão. Matérias-primas: tipos, caracterização e controle. 
Agentes microbianos. Meios de fermentação. Cinética de 
crescimento microbiano. Processos industriais: classificação, 
cinética, estequiometria, equipamentos e controles. 
Bioprocessos Contínuos. Operações unitárias aplicadas a 
bioprocessos. Bioprocessos não convencionais 
 BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA 
 
 
1. Aiba, S.; Humphrey, A.; Millis, N. (1973) Biochemical 
Engineeering. 2nd Edition. Academic Press. 
 
2. Bayley, J.E. e Ollis, D.F. (1992) Biochemical Engineering 
Fundamentals. McGraw-Hill. 
 
3. Lima, U.A.; Aquarone, E.; Borzani, W. (2000) Biotecnologia. 
Vols. 1 a 4. Editora Edgar Blücher, São Paulo. 
 
4. Apostilas e materiais complementares 
 4 testes 
 
 Trabalhos (+ou-10): Soma até 1 ponto na 
media dos testes 
 
 Relatório da prática (EQB-367) ou Trabalho 
teórico de caracterização de matérias-
primas (EQB-475) 
 
 Workshop 
Avaliação 
Avaliação 
Onde 
MT: média dos testes + 
ponto adicional; 
S: nota do workshop; 
P: nota da prática 
F > 75 - MT 0,65, S 0,25 , P 0,10 
60 < F < 75 - MT 0,70, S 0,20 , P 0,10 
40 < F < 60 - MT 0,80, S 0,10 , P 0,10 
 F< 40 - MT 0,90, S 0,05 , P 0,05 
Avaliação 
 Alunos com frequência ≥ 75% 
Dobrar a maior nota ou excluir a menor (o que resultar em maior 
vantagem para o aluno) para o cálculo da média dos testes 
Se a média for superior a 6,7, será dispensado da final, porém sem 
arredondamento da nota no lançamento 
 
 Alunos com 60 <freqüência < 75% 
Dobrar a maior nota para o cálculo da média dos testes 
 
 Alunos com 40 < frequência < 60% 
Cálculo da média dos testes com todas as notas, sem dobrar ou excluir 
Somar à média dos testes 5% da média dos trabalhos adicionais 
 
 Alunos com frequência < 40% 
Reprovação por falta 
Cálculo da média dos testes com todas as notas, sem dobrar ou excluir 
Não somar trabalhos adicionais 
PROGRAMAÇÃO DE AULAS 
13/10* TER 2 h Aula Inaugural: Histórico e Evolução da Biotecnologia 
Antonieta 
15/10* QUI 2 h Elementos de Biotecnologia Antonieta 
20/10* TER 2 h O Processo Industrial e sua Relação com a Fisiologia Microbiana 
Estequiometria de Bioprocessos Industriais Antonieta 
22/10* QUI 2 h Classificação de Bioprocessos Antonieta 
27/10* TER 2 h Classificação de Bioprocessos Antonieta 
29/10* QUI 2 h Classificação de Bioprocessos Antonieta 
03/11* TER 2 h Equipamentos para Indústrias de Bioprocessos Antonieta 
05/11* QUI 2h JIC 
10/11* TER 2 h JIC 
12/11* QUI 2h Instrumentação em Bioprocessos 
 Número econômico de biorreatores e dimensionamento da planta 
Antonieta 
17/11* TER 2h 1o. Teste Priscilla 
19/11* QUI 2 h Cinética de crescimento microbiano Priscilla 
24/11* TER 2 h Cinética de crescimento microbiano Antonieta 
26/11* QUI 2 h Cinética de Bioprocessos Antonieta 
01/12 TER 2 h Bioprocessos Contínuos Antonieta 
03/12 QUI 2 h Bioprocessos Contínuos Antonieta 
08/12 TER 2 h Estudo dirigido Antonieta 
10/12* QUI 2 h 2o.Teste Antonieta 
*Aulas e testes compartilhados com a Turma da Química Industrial 
PROGRAMAÇÃO DE AULAS 
15/12 TER 2 h Bioprocessos descontínuos com alimentação Priscilla 
17/12 QUI 2 h Esterilização de meios e equipamentos Priscilla 
05/01 TER 2 h Esterilização de meios e equipamentos Priscilla 
07/01 QUI 2 h Esterilização de ar Priscilla 
12/01 TER 2 h Aeração de meios Priscilla 
14/01 QUI 2 h Aeração de meios Priscilla 
19/01 TER 2 h Estudo dirigido Priscilla 
21/01 QUI 2 h 3o. Teste Priscilla 
26/01 TER 2 h Agitação de meios Priscilla 
28/01 QUI 2h Extrapolação de escala Priscilla 
02/02 TER 2 h Teoria da prática e divisão dos grupos Priscilla 
04/02 QUI 2 h Determinação do parâmetro KLa (Prática) Priscilla. 
09/02 TER 2h FERIADO 
11/02 QUI 2 h FERIADO 
16/02 TER 2 h Determinação do parâmetro KLa (Prática) Priscilla. 
18/02 QUI 2 h Determinação do parâmetro KLa (Prática) Priscilla 
23/02 TER 2 h 4o. Teste Priscilla 
25/02 QUI 2 h Workshop (para as duas turmas) Pri/Ant. 
01/03 TER 2 h EXAME FINAL (para as duas turmas) Pri/Ant. 
03/03 QUI 2 h EXAME FINAL (opção para as duas turmas) Pri/Ant. 
*Aulas e testes compartilhados com a Turma da Química Industrial 
Matéria dos Testes 
Conteúdo dos testes: 
 
T1: aulas iniciais; 
T2: até cinética de bioprocessos; 
T3: até esterilização de meios e equipamentos; 
T4: até extrapolação de escala; 
Biotecnologia - Definição 
- Prof. Antonio Paes de Carvalho (Patentes para a Biotecnologia, 1993) 
 
“Entende-se por Biotecnologia o conjunto de conhecimentos, técnicas e 
métodos, de base científicaou prática, que permite a utilização de 
seres vivos como parte integrante e ativa do processo de produção 
industrial de bens e de serviços“ 
 
- Office of Technology Assesment 
 
“O conjunto de processos industriais que englobam processos 
biológicos“ 
 
- Union Internationale de Chemie Pure et Appliquée 
 
“Aplicação da Bioquímica, da Biologia, da Microbiologia e da 
Engenharia Química aos processos e produtos industriais (incluindo 
produtos relativos à saúde, energia e agricultura) e ao meio ambiente“ 
- CNPq 
 
“Utilização de sistemas celulares para obtenção de produtos ou 
desenvolvimento de processos industriais“ 
 
 ... 
Princípios 
científicos e 
de engenharia 
Processamento 
de materiais 
Bens de 
consumo 
Agentes 
 
Biológicos 
Biotecnologia - Definição 
BIOTECNOLOGIA é uma ciência que possui muitas definições. 
Elas se referem a Biotecnologia como sendo toda tecnologia de 
processo ou produto ou de serviços que utilize, em pelo menos 
uma de suas etapas, da ação de microorganismos, células animais 
ou vegetais, ou de substâncias por eles produzidas, sendo 
caracterizada por sua INTER, MULTI E TRANSDISCIPLINARIDADE. 
 
Eng.Química/ 
Química Industrial Eng. Bioquímica/ 
Bioprocessos Industrias 
Biologia Molecular 
Microbiologia 
Tec. & Eng. de 
Alimentos 
Tec. das 
Fermentações 
Eng. Eletrônica 
Meio Ambiente 
Bioquímica/ 
Química 
Natureza Multidisciplinar da Biotecnologia 
Biotecnologia - Definição 
BIOTECNOLOGIA 
CLÁSSICA 
BIOTECNOLOGIA 
MODERNA 
BIOLOGIA MOLECULAR 
Biotecnologia - Definição 
Biotecnologia – Biotecnologia no Brasil 
O mercado brasileiro de produtos e processos biotecnológicos no Brasil, 
responde por uma cifra equivalente a US$ 17 bilhões, cabendo aos 
segmentos químico e energético a maior parcela de participação no 
mercado global 
Segmento Valor (US$ 
milhões) 
Químico e Energia 10.040,00 
Alimentos 3.980,00 
Farmacêutico e Especialidades 2.040,00 
Agricultura 1.060,00 
outros 130,00 
TOTAL 17.250,00 
Mercado Brasileiro de Produtos e Processos Biotecnológicos 
Biotecnologia – Biotecnologia no Brasil 
Empresa Linha de Produção 
BIOBRÁS Enzimas (alfa-amilase, papaína, pepsina, celulase) e Insulina 
CIBRAN Antibióticos: eritromicina, gentamicina 
EMBRABIO Reagentes para diagnóstico 
IMOVAL Soros e vacinas, hemoderivados e imunomoduladores 
VALLÉ Reagentes para diagnóstico 
FIOCRUZ Soros e vacinas, reagentes para diagnóstico, enzimas de 
restrição, síntese de DNA e peptídeos 
AGROCERES Mudas e sementes, matrizes para pecuária 
SBS Cultura de tecidos vegetais para obtenção de mudas e sementes 
VALLÉ 
NORDESTE 
Vacinas e produtos farmacêuticos para uso animal 
Principais empresas de biotecnologia no Brasil 
Fabricação de pão levedurado Antes de 3000 AC 
Fermentação de sucos à bebidas alcoólicas Antes de 3000 AC 
Conhecimento da formação de vinagre em sucos 
fermentados 
Antes de 3000 AC 
Fabricação de cerveja na Babilônia e Egito 3o século AC 
Primeiro registro da destilação do etanol 1150 
Produção industrial de vinagre (Processo Orleans) Século XIV 
Visualização de leveduras por Leuwenhoek 1680 
Descrição da fermentação láctica por Pasteur 1857 
Descoberta da participação de enzimas na fermentação 1858 
Descoberta do gênero Acetobacter por Hansen 1879 
 Produção de ácido láctico por fermentação 1881 
Biotecnologia – História 
MARCOS HISTÓRICOS NO DESENVOLVIMENTO DA BIOTECNOLOGIA 
Detecção de enzimas em leveduras por Buchner 1887 
Primeiras plantas de tratamento biológico de efluentes em 
Berlim, Hamburg, Munich, Paris e outras cidades 
Final do séc. XIX 
Descoberta da piocianase por Ermerich e Low 1901 
Produção de fermento de panificação na Alemanha 1915 
Produção de acetona e butanol (Processo Weizmann) 1915/1916 
 Produção de glicerol (Processo sulfito – Connstein e 
Lüdecke) 
1915/1916 
 Produção de ácido cítrico por processo em superfície 1920 
 Descoberta da penicilina por Fleming 1928/1929 
Início da produção industrial de penicilina 1941/1944 
Descoberta da estreptomicina por Schatz e Waksman 1944 
Processo submerso para a produção de ácido acético 1949 
Biotecnologia – História 
MARCOS HISTÓRICOS NO DESENVOLVIMENTO DA BIOTECNOLOGIA 
Publicação do trabalho sobre a estrutura em dupla hélice do 
DNA por Watson e Crick 
1953 
Processo submerso para a produção de ácido cítrico 1955/1956 
Produção de ácido glutâmico por Kinoshita et al 1957 
Descoberta de leveduras fermentadoras de pentoses Década de 70 
PROÁLCOOL (Brasil) 1975 
Desenvolvimento de técnicas de manipulação genética de 
microorganismos e outros seres vivos 
A partir dos anos 
80 
Programa de Auto-suficiência Nacional em Imunobiológicos 1982 
Início do Projeto Genoma 1990 
 Anúncio da descoberta do sequenciamento do genoma 
humano 
2000 
Liberação da produção e consumo de alimentos transgênicos 2003 
Discussão sobre o uso de embriões humanos em pesquisas 
com células tronco 
2008 
Biotecnologia – História 
MARCOS HISTÓRICOS NO DESENVOLVIMENTO DA BIOTECNOLOGIA 
VITAMINAS ENZIMA ÁCIDOS ORGÂNICOS 
 
COMBUSTÍVEIS ‘KIT’DIAGNÓSTICO SOLVENTES 
BIOPOLÍMEROS 
 
ALIMENTOS 
FERMENTADOS 
ANTIBIÓTICOS E 
 
OUTROS FÁRMACOS 
PROTEÍNA DE PLÁSTICOS 
UNICELULAR MEDICAMENTOS BIODEGRADÁVEIS 
 
 TRATAMENTO DE RESÍDUOS 
BIOTECNOLOGIA 
Biotecnologia – Produtos e serviços 
PROCESSOS, PRODUTOS E SERVIÇOA ONDE A BIOTECNOLOGIA SE 
FAZ PRESENTE 
VITAMINAS ENZIMA ÁCIDOS ORGÂNICOS 
 
COMBUSTÍVEIS ‘KIT’DIAGNÓSTICO SOLVENTES 
BIOPOLÍMEROS 
 
ALIMENTOS 
FERMENTADOS 
ANTIBIÓTICOS E 
 
OUTROS FÁRMACOS 
PROTEÍNA DE PLÁSTICOS 
UNICELULAR MEDICAMENTOS BIODEGRADÁVEIS 
 
 TRATAMENTO DE RESÍDUOS 
BIOTECNOLOGIA 
Biotecnologia – Produtos e serviços 
PROCESSOS, PRODUTOS E SERVIÇOA ONDE A BIOTECNOLOGIA SE 
FAZ PRESENTE 
Setor Atividade 
Química Orgânica Etanol, acetona, butanol, ac. orgânicos, enzimas, 
polímeros, etc. 
Química Inorgânica Lixiviação de minérios, corrosão microbiana 
Farmacêutico Antibióticos, vacinas, esteróides, vitaminas 
Energia Etanol, metano (biogás) 
Alimentos Bebidas, laticínios, polióis, aditivos, amidos 
modificados 
Têxtil Uso de enzimas aplicadas a tecidos (Tratamento de 
fibras) 
Papel e celulose Uso de enzimas aplicadas a tecidos 
(Biobranqueamento de polpas) 
Agricultura e Pecuária Vacinas veterinárias, biopesticidas, inoculantes 
bacterianos 
Meio ambiente Tratamento de efluentes, purificação de águas, 
biorremediação, etc. 
Biotecnologia – Ramos de atividade 
Aminoácidos: glutâmico, triptofano, isoleucina, lisina, alanina 
Antibióticos: penicilinas, griseofulvina, tetraciclinas, estreptomicina, 
eritromicina, bacitracina, ac. Clavulânico, etc 
Biomassa celular: leveduras, algas e bactérias 
Enzimas: amilases, proteases, celulases, hemicelulases, lipases, pectinases, 
etc. 
Ácidos orgânicos: cítrico, acético, glutâmico, láctico, glicônico, itacônico, 
etc. 
Ácidos nucleicos: inosínico, guanílico, etc 
Polímeros: xantana, dextrana, levana, poli-hidróxi-butirato 
Solventes, intermediários e combustíveis: etanol, acetona, butanol, 2,3-
butanodiol, glicerol, xilitol, álcoois superiores 
Vitaminas: cianocobalamina, riboflavina, ac. Ascórbico, carotenóides 
Outros: Vacinas, bioinseticidas, proteínas reguladoras, hormônios 
Biotecnologia – Produtos de fermentação 
Biotecnologia – CLASSIFICAÇÃOEM FUNÇÃO DE VOLUME DE 
PRODUÇÃO E VALOR DE MERCADO 
Volume elevado e valor baixo: combustíveis, 
biomassa para alimentação animal, tratamento 
de efluentes 
 
Volume elevado e valor intermediario: 
aminoácidos e ac. orgânicos, alimentos, levedura 
de panificação, solventes, polímeros 
 
Volume pequeno e valor elevado: antibióticos e 
demais biofármacos, enzimas, vitaminas 
 
Biotecnologia - IMPACTOS DECORRENTES DE INOVAÇÕES 
BIOTECNOLÓGICAS 
• Melhoria na produção de um produto já comercializado e 
tradicionalmente obtido por rota biotecnológica, com 
melhoria da qualidade do produto e/ou maiores 
rendimento e/ou produtividade e/ou redução de custos de 
produção; 
 
• Introdução de processo biotecnológico novo na obtenção 
de bens já comercializados e produzidos por outras rotas 
tecnológicas, levando à mudança da base tecnológica de 
um dado ramo industrial; 
 
• Introdução no mercado de um produto totalmente novo, 
viabilizado mediante recentes inovações biotecnológicas 
empregando a biologia molecular como ferramenta 
• Adoção de tecnologias limpas 
Biotecnologia - TECNOLOGIA LIMPA 
Segundo o PNUMA/ONU é a: 
 “aplicação continuada de uma estratégia preventiva 
integrada aplicada a processos, produtos e serviços com 
vista a reduzir os riscos para a saúde humana e ambiente 
e a conseguir benefícios econômicos para as empresas” 
 
USO DE MATÉRIAS PRIMAS RENOVÁVEIS 
PROCESSOS COM BAIXO IMPACTO AMBIENTAL 
PRODUTOS AMBIENTALMENTE CORRETOS 
REJEITOS DE BAIXA TOXICIDADE 
MENOR DEMANDA ENERGÉTICA 
Biotecnologia –Bioprocesso 
ÁLCOOL COMBUSTÍVEL E O CICLO DE CARBONO 
 
 
 
 
Cana 
 
 
Glicose 2 etanol + 2 CO2 
 
 
Fermentação 
Reutilização na Fotossíntese 
 
 
 
Combustão 
CO2 + H2O 
Biotecnologia –Bioprocesso 
 
CO2 + H2O 
Produção Refino Distribuição Combustão 
Acúmulo na atmosfera 
COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS E O CICLO DE CARBONO 
BIOPROCESSO 
CATÁLISE 
ENZIMÁTICA 
METABOLISMO 
MICROBIANO 
Biotecnologia –Bioprocesso 
CATÁLISE ENZIMÁTICA 
Biotecnologia –Bioprocesso 
NUTRIENTES 
+ 
FONTE DE 
CARBONO 
+ 
(OXIGÊNIO) 
Microrganismo 
PRODUTOS 
+ 
SUBPRODUTOS 
+ 
ENERGIA 
 
Biotecnologia –Bioprocesso 
 
 
1- Seleção e Melhoramento da Linhagem produtora 
2- Otimização do Meio de Cultura 
3- Testes em Biorreatores 
4- Operações em Escala Piloto 
5- Operações em Larga Escala 
 
Biotecnologia – Etapas de um Bioprocesso 
 
 
1- Seleção e Melhoramento da Linhagem produtora 
2- Otimização do Meio de Cultura 
3- Testes em Biorreatores 
4- Operações em Escala Piloto 
5- Operações em Larga Escala 
 
Biotecnologia –Bioprocesso 
Biotecnologia –Estrutura da Célula 
Biotecnologia –Estrutura da Célula 
TODO NUTRIENTE DEVE SER 
PREVIAMENTE SOLUBILIZADO 
PREVIAMENTE AO TRANSPORTE DO 
MESMO PARA O INTERIOR DA CÉLULA. 
Digestão in situ: a célula produz hidrolases que catalisam a 
hidrólise das macromoléculas, durante o bioprocesso 
Digestão ex situ: a hidrólise das macromoléculas é realizada em 
etapa anterior ao bioprocesso 
Biotecnologia –Reações Biológicas 
 Dois tipos de reação 
 Síntese ou Assimilação 
Anabolismo: Moléculas complexas , reações 
endergônicas 
 
Degradação 
Catabolismo: Moléculas simples, reações 
exoergônicas 
 
 
METABOLISMO = CATABOLISMO + 
ANABOLISMO 
A ENERGIA NA FORMA DE ATP 
FORMADA NAS ROTAS DE 
DEGRADAÇÃO É UTILIZADA NAS 
ROTAS DE BIOSSÍNTESE 
Biotecnologia –Reações Biológicas 
Biotecnologia –Reações Biológicas 
DESTINOS DO PIRUVATO 
Biotecnologia –Reações Biológicas 
DESTINOS DO PIRUVATO 
FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA 
Biotecnologia –Reações Biológicas 
DESTINOS DO PIRUVATO 
FERMENTAÇÃO LÁCTICA 
Biotecnologia –Reações Biológicas 
DESTINOS DO PIRUVATO 
ACETIL CoA 
Biotecnologia –Reações Biológicas 
Biotecnologia –Reações Biológicas 
Biotecnologia –Reações Biológicas 
Biotecnologia 
É UMA SUBSTÂNCIA DE INTERESSE 
COMERCIALACUMULADA DEVIDO À 
DIFERENÇAS NAS TAXAS REACIONAIS DAS 
REAÇÕES DO METABOLISMO CELULAR 
 
PODE SER EXTRACELULAR OU 
INTRACELULAR 
O QUE É PRODUTO? 
É UMA SUBSTÂNCIA DE INTERESSE 
COMERCIALACUMULADA DEVIDO À 
DIFERENÇAS NAS TAXAS REACIONAIS DAS 
REAÇÕES DO METABOLISMO CELULAR 
 
PODE SER EXTRACELULAR OU 
INTRACELULAR 
O QUE É PRODUTO? 
Biotecnologia 
AGENTES DE FERMENTAÇÃO: 
CARACTERÍSTICAS DESEJÁVEIS 
 VIABILIDADE 
 
 POTÊNCIA 
 
 ESTABILIDADE 
 
 INOCUIDADE 
Biotecnologia –Bioprocesso 
Biotecnologia – Bioprocesso 
EXIGÊNCIAS NUTRICIONAIS 
CARBONO 
 NITROGÊNIO 
 FÓSFORO 
 ENXOFRE 
 SAIS MINERAIS 
 VITAMINAS 
 Heterotróficos: necessitam do nutriente 
na forma orgânica 
MICRORGANISMOS 
Autotróficos: são capazes de utilizar o 
nutriente na forma inorgânica 
EXIGÊNCIAS NUTRICIONAIS 
Biotecnologia – Bioprocesso 
EXEMPLOS DE FONTES DE NUTRIENTES 
 CARBONO 
 Orgânico: açúcares, polissacarídeos 
 Inorgânico: CO2 
 NITROGÊNIO 
 Orgânico: aminoácidos, peptídeos 
 Inorgânico: NH4
+, NO3
= 
 FÓSFORO 
 Fosfatos 
 ENXOFRE 
 Orgânico: aminoácidos sulfidrilados 
 Inorgânico: sulfatos 
 VITAMINAS 
 Extrato de lêvedo, resíduos da indústria de 
alimentos 
Biotecnologia – Bioprocesso 
CARACTERÍSTICAS DESEJÁVEIS DO MEIO DE CULTIVO 
 Ser o mais barato possível. 
 
 Atender as necessidades nutricionais do microrganismo. 
(Fontes de C, N, P, outros elementos: metais, precursores ou 
cofatores, vitaminas e “fatores de crescimento” quando 
necessários). 
 
 Ter composição rezoavelmente fixa. 
 
 Não causar problemas na recuperação e purificação do 
produto (problemas tratamento de águas residuais). 
 
 Não causar dificuldades no tratamento final do efluente 
Biotecnologia – Bioprocesso 
MATÉRIA PRIMA é a fonte do substrato para 
um determinado Bioprocesso. Pode ser de 
natureza orgânica (produtos ou resíduos 
agrícolas, por exemplo) ou inorgânica (CO2, 
minérios, etc.) 
DEFINIÇÃO DE MATÉRIA-PRIMA 
MATÉRIAS-PRIMAS PARA A INDÚSTRIA DE 
BIOPROCESSOS 
Biotecnologia – Bioprocesso 
DEFINIÇÃO DE SUBSTRATO 
SUBSTRATO é a substância química cuja 
estrutura ou parte da mesma está 
presente na molécula do produto. Pode 
ser de natureza orgânica (açúcares, por 
exemplo) ou inorgânica (CO2, sais 
inorgânicos, etc.) 
Biotecnologia – Bioprocesso 
SUBSTRATOS PARA A INDÚSTRIA DE BIOPROCESSOS 
DEFINIÇÃO DE INSUMO 
INSUMO é um componente essencial do 
meio, indiretamente relacionado à 
formação do produto. Fontes de sais 
minerais e de vitaminas, ácidos e álcalis 
são exemplos de insumos. 
Biotecnologia – Bioprocesso 
EXEMPLOS DE MATÉRIAS-PRIMAS E SUBSTRATOS 
MATÉRIA-PRIMA SUBSTRATOS
Cana-de-açúcar Sacarose, glicose,
frutose
Mandioca Amido, glicose
Sabugo de Milho Celulose,
hemiceluloses
Leite Lactose, proteínas
Soro de Leite Lactose
Biotecnologia – Bioprocesso 
CRITÉRIOS DE ESCOLHA DE MATÉRIAS-PRIMAS 
 BAIXA TOXICIDADE 
 PRESENÇA E TEOR DE SUBSTRATO 
 ESPECIFICAÇÃO DO PRODUTO 
 CUSTO 
 DISPONIBILIDADE 
 FACILIDADE DE BENEFICIAMENTO 
 FACILIDADE DE TRANSPORTE E ESTOCAGEM 
 CARÁTER DE SAZONALIDADE 
Biotecnologia – Bioprocesso 
FATORES QUE INFLUENCIAM NA COMPOSIÇÃO 
QUÍMICA DAS MATÉRIAS-PRIMAS 
Biotecnologia – Bioprocesso 
CRITÉRIOS DE CLASSIFICAÇÃO DE 
MATÉRIAS- PRIMAS 
 QUANTO À NATUREZA DO SUBSTRATO 
 QUANTO À ACESSIBILIDADEDO SUBSTRATO 
Biotecnologia – Bioprocesso 
 SACARÍNEAS OU AÇUCARADAS 
 AMILÁCEAS 
 LIGNOCELULÓSICAS 
 ALCOÓLICAS 
 OUTRAS (não açucaradas: protéicas, 
lipídicas, hidrocarbonetos, esteróis, etc.) 
CRITÉRIOS DE CLASSIFICAÇÃO DE 
MATÉRIAS- PRIMAS 
 QUANTO À NATUREZA DO SUBSTRATO 
Biotecnologia – Bioprocesso 
 Matérias-primas SACARÍNEAS OU AÇUCARADAS 
OS SUBSTRATOS PRESENTES ENCONTRAM-SE 
SOB A FORMA DE MONO OU DISSACARÍDEOS, 
DIRETAMENTE DISPONÍVEIS PARA O CULTIVO 
(GLICOSE, FRUTOSE, SACAROSE, 
 LACTOSE, ETC.) 
NÃO NECESSITAM DE TRATAMENTOS 
MUITO ONEROSOS 
Ex.: CANA, FRUTAS , 
SUCOS DE FRUTAS, 
BETERRABA, SORGO 
SACARINO, MELAÇOS, LEITE, 
SORO DE LEITE, ETC. 
Biotecnologia – Bioprocesso 
 Matérias-primas SACARÍNEAS OU AÇUCARADAS 
Caldo de cana-de-açúcar 
Brix ~ 19º 
Componente 
Concentração 
(g/100 mL) 
Água 78-86 
Sacarose 10-20 
Glicose/ Frutose 0,1-2,0 
Cinzas (K2O, SiO2, 
CaO, Na2O, MgO, 
P2O5, Fe2O3) 0,3-0,5 
Ácidos orgânicos 1,0-1,2 
Compostos 
nitrogenados 0,5-1,0 
Gomas, ceras, 
gorgduras 0,1-0,3 
Melaço 
Brix ~ 80º 
Componente 
Concentração 
(g/100 mL) 
Água 18-22 
Sacarose 32-34 
Glicose 14-16 
Frutose 16-18 
Cinzas (K2O, SiO2, CaO, 
Na2O, MgO, P2O5, Fe2O3) 8-10 
Ácidos orgânicos 0,05 
Compostos nitrogenados 7-9 
Gomas, ceras, gorgduras 7-8 
Biotecnologia – Bioprocesso 
 Matérias-primas AMILÁCEAS 
 
O SUBSTRATO PRESENTE ENCONTRA-SE SOB A FORMA 
DE AMIDO 
 NECESSITAM DE TRATAMENTO PRÉVIO 
PARA A HIDRÓLISE DO AMIDO PARA A 
LIBERAÇÃO DA GLICOSE 
Ex.: MANDIOCA, MILHO, MALTE, GRÃOS DE UMA FORMA 
GERAL 
Biotecnologia – Bioprocesso 
OS SUBSTRATOS PRESENTES ENCONTRAM-SE SOB A 
FORMA DE CELULOSE E HEMICELULOSES 
 NECESSITAM DE EXTENSIVAS ETAPAS DE 
TRATAMENTO PRÉVIO PARA A HIDRÓLISE DOS 
POLISSACARÍDEOS VISANDO A OBTENÇÃO DOS 
AÇÚCARES 
Ex.: BAGAÇO DE CANA, SABUGO E TALOS DE MILHO, 
CASCAS DE GRÃOS, RESÍDUOS DE MADEIREIRAS, ETC. 
 Matérias-primas LIGNOCELULÓSICAS 
 
Biotecnologia – Bioprocesso 
 Matérias-primas LIGNOCELULÓSICAS 
 
Biotecnologia – Bioprocesso 
PRINCIPAIS MATÉRIAS-PRIMAS PARA AS BIOCONVERSÕES 
AMILÁCEAS SACARÍNEAS LIGNOCELULÓSICAS 
AMIDO SACAROSE CELULOSE HEMICELULOSE 
GLICOSE FRUTOSE XILOSE MANOSE 
Biotecnologia – Bioprocesso 
CRITÉRIOS DE CLASSIFICAÇÃO DE 
MATÉRIAS- PRIMAS 
 QUANTO À ACESSIBILIDADE DO SUBSTRATO 
 SUBSTRATOS SOLÚVEIS E DIRETAMENTE 
METABOLIZÁVEIS 
 SUBSTRATOS INSOLÚVEIS DE FÁCIL HIDRÓLISE 
SUBSTRATOS INSOLÚVEIS DE DIFÍCIL HIDRÓLISE 
Biotecnologia – Bioprocesso 
MP 
SACARÍNEAS 
MP 
AMILÁCEAS 
MP 
LIGNOCELULÓSICAS 
EXTRAÇÃO EXTRAÇÃO PRÉ-TRATAMENTO: 
EXTRAÇÃO/HIDRÓLISE 
DA HEMICELULOSE 
FERMENTAÇÃO 
 
• BATELADA 
• BATELADA ALIMENTADA 
• CONTÍNUA 
RECUPERAÇÃO DO PRODUTO 
 
• DESTILAÇÃO 
• EXTRAÇÃO POR SOLVENTE 
• ADSORÇÃO 
HIDRÓLISE 
DA CELULOSE 
HIDRÓLISE 
DO AMIDO 
sacarose 
glicose 
frutose 
lactose 
galactose 
glicose 
RESÍDUO 
alimentação animal 
produção de energia 
RESÍDUO 
alimentação animal 
produção de energia 
xilose 
glicose 
LIGNINA 
produção de energia 
co2 
ETANOL 
VINHOTO 
TECNOLOGIAS PARA A PRODUÇÃO DE ETANOL DE 
BIOMASSAS 
Tecnologias maduras Tecnologia emergente 
Fonte: PEREIRA JR (1991) 
TRATAMENTO DA MATÉRIA-PRIMA 
PREPARO DE MEIOS RESÍDUO TRATAMENTO/APROVEITAMENTO 
ESTERILIZAÇÃO 
BIORREATOR DE 
PROPAGAÇÃO 
BIORREATOR DE 
FERMENTAÇÃO SEPARAÇÃO DE CÉLULAS 
INOCULAÇÃO 
FILTRAÇÃO 
BANCO DE 
MICRORGANISMO
S 
AERAÇÃO 
BIOMASSA MEIO FERMENTADO 
ROMPIMENTO 
CELULAR 
PURIFICAÇÃO DA 
BIOMOLÉCULA 
INTRACELULAR 
PURIFICAÇÃO DA 
BIOMOLÉCULA 
EXTRACELULAR 
EFLUENTES 
 RESIDUOS 
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COMPARAÇÃO ENTRE PROCESSOS BIOQUÍMICOS 
(BIOPROCESSOS) E PROCESSOS QUÍMICOS 
CONVENCIONAIS 
PROCESSOS BIOQUÍMICOS 
 
 Decorrentes de atividade 
microbiana 
 Caracterizados pelo 
mecanismo 
 Catalisadores de alta 
especificidade 
 Condições brandas de T, P 
e pH 
 Maiores volumes 
 Requerem esterilidade 
 
 
 PROCESSOS QUÍMICOS 
 
 Decorrentes reações 
químicas 
 Caracterizados pela 
matéria-prima 
 Catalisadores não 
específicos 
 Condições drásticas de T, 
P e pH 
 Menores volumes 
 Não requerem esterilidade 
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