Biotecnologia Industrial - Vol 2 - Willibaldo Schmidell

Biotecnologia Industrial - Vol 2 - Willibaldo Schmidell


DisciplinaEngenharia Química697 materiais1.722 seguidores
Pré-visualização50 páginas
de simples 
execução, pois inclusive exigem um amplo conhecimento do material biológico 
utilizado, mas apresentam um enorme interesse prático. 
Conforme mencionado, as técnicas de DNA recombinante também podem 
ser aplicadas para tornar células produtoras de substâncias que naturalmente não 
são por elas produzidas, ,em virtude da ausência de codificação genética para tan-
to. Nesse caso, genes de certas células são transferidos, via vetores adequados, a 
outras células, como é o caso de introduzir a codificação para a síntese de glicoa-
milase de Aspergillus em células de Saccharomyces cerevisiae, o que passa a permitir 
a realização da fermenta~ão alcoólica de matérias~primas amiláceas, pela levedura 
alterada geneticamente.3' 
Com esse objetivo, a tecnologia do DNA recombinante tem sido empregada 
para a obtenção de proteínas heterólogas de alto valor agregado, em particular 
para uso em saúde humana, como é o caso da produção de hormônio de cresci-
mento humano, insulina, interferons, Fator VIII (tratamento da hemofilia) etc. 
Como microrganismos receptores da codificação genétiea empregam-se bactérias 
(Escherichia coZi, Bacillus subtiZis), leveduras (Saccharomyces cerevisiae) ou fungos fi-
lamentosos (Aspergillus niger). Igualmente são empregadas células animais (exem.:. 
pio: BHK - "Baby Hamster Kidney"), particularmente para a produção de proteí-
nas mais complexas e de maior valor agregado, o que explica o crescente interesse 
das grandes empresas do setor no cultivo de células animais. 
Presentemente, é inclusive possível imaginar o emprego de um pequeno nú-
mero de microrganismos, bem conhecidos em termos de necessidades nutricionais 
e características de crescimento, como é o caso de Escherichia coZi ou Saccharomyces 
cerevisiae, para a síntese de uma grande variedade de proteínas, no lugar de se ter 
como problema o cultivo de uma linhagem para cada composto a ser produzido. 
I O Microrganismos e meios de cultura para utilizaçã~ industrial 
···-
Claramente isso pode contribuir pa~a uma certa simplificação dos processos pro-
dutivos, desde que se consiga obter os mutantes adequados. 
2.3 - Características desejáveis de microrganismos e meios 
de cultura para aplicação industrial 
Conforme já anunciado, no presente item pretende-se apresentar algumas 
características gerais que microrganismos e meios devem apresentar, a fim de que 
seja possível o estabelecimento de processo produtivo em larga escala. Buscar-se-á 
enunciar as características desejáveis de microrganismos e, em seguida, aquelas 
relacionadas aos meios de cultivo, lembrando, no entanto, que o desempenho de 
um dado microrganismo depende muito da composição do meio de cultura em 
que é colocado. 
Como se pretende expor características gerais, quando da análise de um 
dado processo fermentativo, é possível que algumas destas características não se 
apliquem, enquanto outras,não abordadas no presente texto, poderão ser de gran-
de importância. No entanto, espera-se estabelecer certas reflexões que permitam 
essa análise crítica. 
2.3. I - Características desejáveis de microrganismos 
Para uma aplicação industrial, espera-se que os microrganismos apresentem 
as seguintes características gerais: · · 
\u2022 apresentar elevada eficiência na conversão do substrato em produto; 
\u2022 permitir o acúmulo do produto no meio, de forma a se ter elevada concen-
tração do produto no caldo fermentado; 
\u2022 não produzir substâncias incompatíveis com o produto; 
\u2022 apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico; 
\u2022 não ser patogênico; 
\u2022 não exigir condições de processo muito complexas; 
\u2022 não exigir meios de cultura dispendiosos; 
\u2022 permitir a rápida liberação do produto para o meio. 
As duas primeiras características serão discutidas conjuntamente, pois, ape-
sar de serem distintas, concorrem para o mesmo objetivo geral de extrema impor-
tância. 
[)e fato, uma célula deve permitir elevada conversão do substrato em produto, 
pois, com muita freqüência, as matérias-primas incidem pesadamente no custo do 
produto final, podendo-se mencionar uma incidência de 38 a 73% do custo total de 
produção como sendo devido às matérias-primas, em particular a fonte orgânica 
de carbono.1 
Por outro lado, é sempre desejável que o microrganismo permita um elevado 
acúmulo do produto no meio, sem sofrer inibição mais acentuada em virtude deste 
acúmulo, pois isto concorre para uma redução nos custos de recuperação, os quais 
também podem ser muito acentuados. 
Tome-se como exemplo o caso da fermentação alcoólica, aqui representada 
simplificadamente pela equação química final (glicose em anaerobiose sendo con-
vertida em etanol e gás carbônico): 
------------------------~---
Características desejáveis de microrganismos e meios de cuaura para aplicação industrial I I 
..... 
C 6H 12Ü 6 ~ 2C 2H 50H+ 2C02 
Como se pode observar, o fator estequiométrico é igual a 0,511, ou seja, cada 
grama de glicose convertida gera 0,511g de etanol, sendo que o Saccharomyces cere-
visiae, normalmente empregado nesta fermentação, com freqüência permite obter 
um rendimento da ordem de 90% deste valor estequiométrico, o que torna este mi-
crorganismo o mais importante para Tealizar esta conversão, lembrando que vários 
outros também podem acumular etanol, a partir da glicose, porém não com este 
rendimento tão elevado. 
Obviamente, não se consegue manter um processo de fermentação alcoólica 
obtendo-se 100% de rendimento, pois as células têm de proliferar, o que significa a 
síntese de muitos outros compostos intermediários, sendo o acúmulo de etanol a 
via metabólica que permite a geração de energia na forma de ATP (glicólise). Cla-
ro está que esse é um ponto fundamental, pois a matéria-prima incide em algo 
como 60% do custo do etanol e, desta forma, baixos rendimentos tornariam inviá-
vel a produção deste produto de baixo valor agregado. 
f Por outro lado, sabe-se que quando se atinge 8 a 10% (em volume) em etanol no vinho fermentado, já ocorre uma clara inibição da levedura, o que faz com que a velocidade da conversão do açúcar em etanol fique prejudicada, razão pela qual 
procura-se não ultrapassar estes valores, pelo menos na produção de álcool com-
bustível (não se está aqui comentando o caso de bebidas alcoólicas). 
Isso significa a necessidade de destilar um líquido que contém apenas 10% 
de etanol, o que - além do dispêndio de energia - ainda irá gerar 90% de resíduo 
na forma de vinhaça, que necessita encontrar um destino adequado. 
{ 
O ideal seria encontrar leveduras mais resistentes ao etanol, porém sem que 
ocorra queda n. a velocidade da fermentação alcoólica (sem queda na produtivida-
de), o que não é tarefa simples. 
De qualquer forma, fica claro que a conversão da matéria-prima em produto 
já é muito elevada, o que não permite visualizar grandes incrementos, lembrando, 
novamente, a necessidade de manter a viabilidade celular para que a fermentação 
não seja interrompida. 
Uma situação bem diversa é a que ocorre com os processos aeróbios, por 
exemplo,na produção de enzimas ou antibióticos. Nesse caso, a conversão do açú-
car pode ser representada esquematicamente da seguinte forma: 
Açúcar + 0 2 ~ células + C02 + H20 + Intermediários + Produto 
Nesse caso, por se operar em aerobiose, a quantidade de células geradas cos-
tuma ser muito intensa, em relação ao açúcar consumido, ao lado de uma quanti-
dade relativamente pequena do produto alvo (antibiótico ou enzima). Se, por um 
lado, o custo da matéria-prima incide menos 'pesadàmente no custo do produto fi-
nal, as operações de recuperação do produto são necessariamente mais onerosas 
(chega-se a valores da ordem de 70%), mas o produto alvo é de mais alto valor 
agregado. 
Assim, ao se encontrar linhagens que cresçam relativamente menos, ou que 
acumulem menos compostos intermediários, é possível visualizar grandes incre-
mentos