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Processos Fermentativos INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MINAS GERAIS Campus Bambuí Bambuí Outubro de 2013 Profa. Marina Leopoldina Lamounier marina.lamounier@yahoo.com.br INTRODUÇÃO - Microrganismos • decompositores de alimentos; • fermentação de alimentos e bebidas. - Vinho e vinagre – 10.000 AC; - Cerveja – 5.000 – 6.000 AC - Egito; - Pão – 4.000 – 7.000 AC – Egito; - Queijo e leite fermentado – 5.000 AC - Soja fermentada – 3.000 AC - China 1. INTRODUÇÃO - Muitos alimentos devem sua produção e suas características às atividades fermentativas dos microrganismos; - Produtos como queijos maturados, chucrutes, lingüiça fermentada – vida de prateleira maior que a matéria–prima da qual eles foram feitos; - Alimentos fermentados possuem aroma e sabor característicos que resultam direta ou indiretamente dos organismos fermentadores. 1. INTRODUÇÃO Importância dos processos fermentativos na indústria de alimentos: Produtos Microrganismos Queijo Bactérias e fungos Iogurtes Bactérias láticas Manteiga Bactérias láticas Bebidas Leveduras e fungos Produtos de Panificação Leveduras Picles, azeitonas e chucrutes Bactérias lácteas Carnes fermentadas Bactérias láticas Vinagre Bactérias acéticas Aromas Fungos Proteínas unicelulares Fungos, leveduras e bactérias Soja fermentada Fungos, leveduras e bactérias 1. INTRODUÇÃO 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; Período Acontecimento 6.000 a. C. bebidas alcoólicas (cerveja e vinho) são produzidas por sumérios e babilônios 2.000 a.C. panificação e bebidas fermentadas são utilizadas por egípcios e gregos 1875 d. C. Pasteur mostra que a fermentação é causada por microrganismos 1880-1910 surgimento da fermentação industrial (ácido láctico, etanol, vinagre) 1910-1940 síntese de glicerol, acetona e ácido cítrico 1940-1950 antibióticos são produzidos em larga escala por processos fermentativos 1953 estabelecida a estrutura do DNA 1973 início da engenharia genética 1982 insulina humana é produzida PROCESSOS FERMENTATIVOS Vinhos e cervejas 1 processo fermentativo industrial Século XX microbiologia industrial = bioprocessos (metabolismo microbiano) produção de diversas substâncias (acetona, butanol, ácido cítrico, antibióticos, etc) “processos fermentativos” qualquer processo microbiano(agente biológico) em grande escala, seja fermentação ou não FERMENTADOR = BIORREATOR (recipiente onde ocorre o processo) OBJETIVOS: com ou sem manipulação genética Multiplicação de microrganismos obtenção de biomassa (proteína de célula única) Obtenção de produtos microbianos (antibióticos, aditivos, álcool, enzimas, etc) Conversão de um substrato em outro microrganismo ou enzima (transformação de esteróides, isomerização de glicose em frutose) Purificação de um solvente (tratamento de efluentes, transformação de poluentes em substância biodegradável) FORMA GERAL DO PROCESSO FERMENTATIVO Escolha do agente biológico adequado (microrganismo ou enzima) Transformação da matéria prima (esterilização, aeração e controle do processo – pH, temperatura, etc) Separação e purificação do produto final PREPARO DO MEIO PREPARO DO INÓCULO TRATAMENTO FINAL CONTROLES ESTERILIZAÇÃO pH TEMPERATURA BIORREATOR FASE DE LABORATÓRIO FASE INDUSTRIAL ESTERILIZAÇÃO AR PRODUTOS SUBPRODUTOS RESÍDUOS Processo economicamente viável matéria prima barata procedimento bem controlado forma de recuperação simples MICRORGANISMOS INDUSTRIAIS METABOLISMO REAÇÕES QUÍMICAS Células e microrganismos retiram dos compostos orgânicos energia para manutenção da estrutura e atividades METABOLISMO METABOLISMO PRIMÁRIO METABOLISMO SECUNDÁRIO ANABOLISMO (CONSOMEM ENERGIA) ATP + calor FERMENTAÇÃO RESPIRAÇÃO Ativação depende do microrganismo e condições CATABOLISMO (LIBERAM ENERGIA) Degradação de compostos orgânicos VIAS CATABÓLICAS Nutrientes Liberadores de energia Carboidratos Gorduras Proteínas Produtos finais Pobres em energia CO2 H2O NH3 Moléculas precursoras Aminoácidos Açucares Ácidos graxos Bases nitrogenadas VIAS ANABÓLICAS ENERGIA Moléculas celulares Proteínas Polissacarídeos Lipídeos Ácidos nucléicos GLICOSE ÁCIDO PIRÚVICO Respiração: Ciclo de Krebs e Cadeia respiratória FERMENTAÇÃO GLICÓLISE (2ATPs) CITOPLASMA Com CO2 Sem CO2 Citoplasma (células procarióticas) Mitocôndria (células eucarióticas) CO2, H2O e 36-38 ATPs Compostos orgânicos: Etanol, ácido láctico FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA (levedura Saccharomyces cerevisiae ) C6H12O6 + 2ADP + 2Pi CH3 CH2 OH + CO2 + 2ATP GLICOSE ETANOL FERMENTAÇÃO LÁCTICA (bactérias Streptococcus e Lactobacillus) C6H12O6 + 2ADP + 2Pi CH3 CHOH COOH + 2ATP GLICOSE ÁCIDO LÁCTICO METABOLISMO PRIMÁRIO X METABOLISMO SECUNDÁRIO PRIMÁRIO: relacionado com o crescimento do microrganismo e a transformação de nutrientes em biomassa (etanol, ac. láctico ou aminoácidos) SECUNDÁRIO: desnecessário para o metabolismo microbiano – sobrevivência em ambientes extremamente competitivos com nutrientes escassos Número de células Tempo Fase lag Fase log Fase estacionaria Fase de declínio Fases de crescimento de uma população MEIO NUTRIENTE CÉLULAS METABÓLITO PRIMÁRIO METABÓLITO SECUNDÁRIO A B LINHAGENS INDUSTRIAIS •Cultivo em fermentados economicamente viável: multiplicação rápida do microrganismo sintetizar grandes quantidades de produto utilizar matéria prima barata •Linhagens estáveis e aptas para cultivo em grande escala (cultura pura) •Linhagens com alteração genética (mutação e recombinação) •Vias metabólicas alteradas – produtos desejáveis MATÉRIA PRIMA •Depende das necessidades metabólicas do microrganismo escolhido •Diferentes em função do microrganismo e objetivo do processo EM LABORATÓRIO: água, fonte de energia e carbono (glicose, amido, etc), fonte de nitrogênio (orgânica, inorgânica ou complexa), sais minerais (CaCL2, K2HPO4, etc) e elementos traços (Fe, Zn, etc) NA INDÚSTRIA: soro de leite, melaço de cana,ou beterraba, amido de milho, etc PROCESSOS FERMENTATIVOS PROCESSOS SUBMERSOS Fermentadores ou Biorreatores Cubas de 20L, 75% de meio (ar ou espuma) agente biológico submerso PROCESSOS SUBMERSOS Adequação do processo: REATOR esterilização do sistema, aeração e homogeneização do meio, acréscimo de nutrientes e de aditivos antiespuma, manutenção de pH, etc MICRORGANISMO aeração e agitação mecânica (distribuição do meio na cuba), calor dissipado por resfriamento PROCESSOSSUBMERSOS Exigência de assepsia: esterilização do meio (dentro ou fora da cuba); desinfecção ou esterilização do equipamento por vapor ou calor de serpentinas (ductos de entrada e saída e válvulas); esterilização do ar por filtros Uso de culturas livres ou imobilizadas (mais econômicas com reutilização de células, suporte inerte ou polímero, purificação do produto mais simples) MUDANÇA DE ESCALA 1-10L (fermentação de laboratório) 50-200- 500L (planta piloto) 5.000-50.000L 200.000L (escala industrial) necessidade de ajustes à mudanças de escala são de grande complexidade 200 – 400ml CONDUÇÃO DO PROCESSO CONTÍNUO: acréscimo de nutrientes e retirada do produto ocorrem continuamente (> contaminação – proteína microbiana, álcool, tratamento de água) DESCONTÍNUO (BATELADA): matéria prima + inoculo = fermentação até esgotamento dos nutrientes (<contaminação – indústria farmacêutica) SISTEMA DE BATELADA ALIMENTADA: RECUPERAÇÃO DO PRODUTO fração considerável do custo de um processo fermentativo produto excretado: separação por decantação ou filtração produto dentro da célula: células desintegradas Obtenção do produto: sedimentação, precipitação, filtração, centrifugação, extração por solventes, destilação, evaporação e secagem. A purificação envolve cristalização ou métodos cromatográficos PROBLEMA despejo dos resíduos de uma fermentação, representando perigo para o meio ambiente (vinhoto da produção de etanol, soro das indústrias de laticínio)
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