Produção microbiológica de ácidos orgânicos e vitaminas

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Produção microbiológica de 
ácidos orgânicos e vitaminas
Giuliana Rahmeier Bonassa Nathália Luana Cecchet Rafaela Alberton Favato
Ácidos orgânicos
Introdução
O que se caracteriza como um ácido orgânico:
Substâncias que contém um ou mais grupamentos carboxilas em sua 
molécula. Composto por um átomo de carbono ligado a um átomo de 
oxigênio por ligação dupla e a um grupo de hidroxila, por 
ligação simples. 
Introdução
Relevância dos ácidos orgânicos
Indústria Alimentícia Indústria Cosmética Saúde
Conservantes e 
neutralizantes
Rejuvenescedor facial Processos 
metabólicos do corpo
Introdução
Exemplos de Ácidos Orgânicos: 
Introdução
Ácido cítrico:
 ➔ Responsável pela acidez de frutas 
cítricas.
➔ Na indústria, o ácido cítrico é 
fabricado pela fermentação aeróbica do 
açúcar bruto (sacarose) ou açúcar de 
milho (dextrose) por cepas de 
Aspergillus niger. 
Introdução
Ácido cítrico:
 
Introdução
Ácido Acético:
 ➔ Compõe o vinagre;
➔ Seu processo de produção é antigo, 
como a oxidação aeróbica, por 
bactérias do gênero Acetobacter, do 
álcool a ácido acético diluído, 
(produz o vinagre, obtido pela 
fermentação do vinho, da cidra ou do 
malte, por exemplo); 
Introdução
Ácido Acético:
 Indústria Uso
Indústria Alimentícia Condimento e conservante de alimentos
Indústria de Plástico Fabricação de PET (para garrafas de 
refrigerante)
Indústria Farmacêutica alguns procedimentos de limpeza 
Indústria Têxtil Neutralizante e acidulante
Indústria de Borracha Coagulante de látex
Laboratórios Ácido acético glacial, matéria prima de 
acetato de etila e acetato de sódio 
Introdução
Ácido Lático:
 ➔ Produzido por meio da fermentação 
bacteriana da lactose (açúcar do 
leite) principalmente por 
Streptococcus lactis, mas também 
por Pediococcus, Leuconostoc, e 
Lactobacillus;
➔ É produzido também no corpo humano; 
➔ Industrialmente é fabricado através 
da fermentação controlada de 
hexoses de melaço, milho e leite;
Introdução
Ácido Lático:
 Indústria Uso
Indústria Farmacêutica Comprimidos, suturas cirúrgicas , próteses
Indústria de Curtume Curtimento do couro
Indústria Quimica Mordentes, solventes, vernizes, tintas
Indústria Alimentícia Acidulante, flavorizante, regulador de pH, 
conservante
Indústria de Polímeros Polimerização em ácido polilático 
(polímero biodegradável), outros 
polímeros termoplásticos e transparentes
Introdução
Ácido Glicônico:
 ➔ Possui ação cáustica, sendo capaz de 
formar complexos solúveis com íons 
metálicos divalentes e trivalentes em 
soluções aquosas;
➔ Processo de obtenção passa pela 
oxidação de glicose. A principal 
desvantagem destes processos é o baixo 
rendimento, ocasionados pela formação 
inevitável de subprodutos indesejáveis;
Introdução
Ácido Glicônico:
 Indústria Uso
Indústria Quimica Sal sódico de acido glicônico para 
remover óxidos de metais pesados, 
remover tintas e vernizes de superfícies, 
soluções para lavagens de vasilhames
Indústria Alimentícia Previne formação de precipitados 
indesejáveis, realça o sabor e complexa 
traços de metais pesados
Indústria Civíl Sal sódico de ácido glicônico como aditivo 
da produção de concreto
Linha de produção
Ácido cítrico
★ Processo utilizando Aspergillus niger; 
★ Fermentação a partir da glicose ou sacarose;
★ Dois tipos: submerso e em superfície;
★ Produto de metabolismo primário -> ciclo de Krebs;
Linha de produção
Ácido cítrico
★ Baixos valores de pH -> entre 1,7 e 2; 
★ Processo aeróbio;
★ Concentrações de Mn, Fe, Cu e Zn -> devem ser controladas;
★ Sais de amônio -> queda no pH -> pré-requisito para obtenção 
de um rendimento alto;
★ Suplementação do meio com pequenas quantidades de álcool e 
lipídeos;
Linha de produção
Ácido cítrico
★ Em meio sólido:
○ Processo Koji;
Substrato esterilizado e com pH ajustado
Farelo entre 30 e 36 graus -> inoculado com 
esporos de A. niger
Farelo inoculado + preparado Koji -> 
biorreator (em bandejas)
Ácido cítrico extraído com água
4 a 6 dias
Linha de produção
Ácido cítrico
★ Meio de cultura líquido:
○ Processo ocorre na superfície;
○ 4 a 5 dias -> ar úmido;
○ Depois: ar seco;
○ Cuidado para o micélio estar 
sempre na superfície;
Inoculação do mosto com A. niger
Distribuído em bandejas rasas
Em 24h -> esporos começam a 
germinar
Redução de açúcares: de 20 a 25% 
até 1 a 3%
Mosto é drenado e substituído 
por outro
8 a 10 dias
Linha de produção
Ácido cítrico
★ Fermentação submersa:
○ Mais utilizado;
○ Fermentadores aerados do 
tipo torre ou STR;
○ Aeração contínua;
○ Agentes antiespumantes 
são adicionados;
Meio esterilizado e imediatamente resfriado 
até 30 graus
Inóculo com esporos de A. niger
pH ajustado 
Extração: meio filtrado é submetido a uma 
segunda filtração
Citrato é precipitado da solução (hidróxido 
de cálcio -> citrato de cálcio
Citrato de cálcio é filtrado e tratado com 
ácido sulfúrico -> precipita sulfato de 
cálcio
Sobrenadante = ácido cítrico
Linha de produção
Ácido acético
★ Produção de vinagre pela fermentação oxidativa de etanol;
★ Há pelo menos 10 mil anos -> fermentação espontânea do vinho 
quando em contato com o ar;
★ Cultivo submerso e fermentação semicontínua;
Linha de produção
Ácido acético
★ Microflora mista de Acetobacter (cepas da mesma espécie);
★ Gluconobacter e Frauteuria;
★ De maneira geral -> soluções hidroalcoólicas não destiladas 
não requerem adição de nutrientes;
★ Bactérias acéticas -> aeróbias estritas;
★ Exaustão de etanol -> perda de viabilidade celular;
★ Acetator Frings;
Linha de produção
Ácido lático
★ Cultivo anaeróbio de Lactobacillus;
★ Bactérias láticas -> melhores catalisadores;
★ Outras bactérias (gram+) -> Enterococcus, Lactococcus, 
Streptococcus, etc;
★ Como as bactérias são anaeróbias facultativas, exclusão de 
oxigênio não é requisito;
Linha de produção
Ácido lático
FERMENTAÇÃO
Homolática Heterolática Ácidos mistos
Ácido lático CO2, etanol e 
acetato + ácido 
lático
CO2, etanol, 
acetato e formato 
+ ácido lático
Linha de produção
Ácido lático
★ Não conseguem sintetizar ATP pela respiração;
★ Bactérias obtêm energia através da fosforilação a nível de 
substrato;
★ O pH pode influenciar na produção, dependendo da espécie;
★ pH é o parâmetro mais importante;
★ A escolha do microrganismo depende do substrato;
★ Açúcar puro -> maior grau de pureza, menos etapas de 
purificação;
Linha de produção
Ácido lático
★ Tanques de aço inoxidável (lembrar que ácido lático é altamente 
corrosivo);
★ 42 horas de fermentação;
★ A cada 6 horas -> hidróxido de cálcio para controle do pH;
★ Mudança no pH -> inibição da fermentação;
NA PURIFICAÇÃO
Aquecimento para eliminação 
dos organismos
Elevação do pH com 
lixivia de cálcio e 
aquecimento
Precipitação do 
lactato de cálcio 
-> filtração
Linha de produção
Ácido glicônico
★ Oxidação da glicose;
★ Fermentação por fungos filamentosos e bactérias oxidativas;
★ Mais utilizado -> Aspergillus niger;
Glicose ä-gliconolactona Ácido glicônico
Glicose 
oxidase Lactonase
Linha de produção
Ácido glicônico
★ Controle de pH -> adição de álcalis no meio;
★ pH acima de 3,5 -> evita a inativação da glicose oxidase;
★ Meio de fermentação -> limitante em termos de oxigênio e 
fósforo;
Vitaminas
Introdução
VITAMINA = VITA (vital) + AMINA (compostos orgânicos 
nitrogenados)
Nutrientes essenciais 
para o metabolismo 
celular de organismos 
que atua em conjunto com 
enzimas, desempenham 
reações metabólicas 
antioxidantes e 
desintoxicantes. 
Introdução
Qual a importância de se estudar e produzir vitaminas?➔ Fortalece o sistema 
imunológico;
➔ Influencia em fatores de 
crescimento para animais, 
plantas e microorganismos;
➔ Colaboraram para a reparação 
de tecidos e a saúde de 
mucosas;
➔ Podem atuar como tratamento 
terapêutico e preventivo de 
doenças;
Introdução
Divididas em dois grandes grupos:
LIPOSSOLÚVEIS HIDROSSOLÚVEIS
Introdução
Como são produzidas comercialmente?
Desvantagens da síntese química e 
extração: alto custo, energia intensa e 
a produção de resíduos químicos que 
podem ser prejudiciais ao meio ambiente 
exigindo descarte adequado. 
Síntese química, extração de outros organismos 
como plantas, e produção biotecnológica por 
microorganismos
Introdução
Introdução
O ácido Ascórbico - Vitamina C
Grande parte do ácido L-ascórbico 
fabricado comercialmente é 
sintetizado através do processo de 
Reichstein utilizando D-glucose como 
material de partida. semi-síntese.
Envolve 6 passos químicos e um 
passo de fermentação (Acetobacter) 
para a oxidação de D-sorbitol para 
L-sorbose. O rendimento global do 
processo é de aproximadamente 
50%.
Viabilidade?
Introdução
➔ Participa de reações químicas importantes no 
funcionamento do organismo, como a produção de 
metionina; 
➔ É bastante utilizada no tratamento de anemias, 
principalmente a anemia autoimune e alem disso 
a falta de B12 relaciona-se com problemas 
neurológicos;
➔ Essa substância é sintetizada exclusivamente 
por processos fermentativos, não estando 
presente, portanto, em alimentos de origem 
vegetal;
Vitamina B12 - Cianocobalamina
Introdução
➔ A sintese química é praticamente impossível 
pois envolveria 70 reações.
Vitamina B12 - Cianocobalamina
➔ Micro-organismos utilizados na produção:
Streptomyces (S. griseus, S. olivaceus), 
Bacillus (B. megatherium), Propionobacterium (P. 
freundereichii), Pseudomonas (P. denitrificans)
Indústrias
Linha de Produção
★ Biossíntese restrita a micro-organismos;
★ A maioria das etapas da biossíntese da vitamina B12 foi 
caracterizada em Pseudomonas denitrificans, Salmonella 
typhimurium e Propionibacterium freudenreichii;
★ 2 rotas: aeróbias (P. denitrificans) e anaeróbias ( P. 
shermanii, Salmonella typhimurium e Bacillus megaterium);
VITAMINA B12
Linha de Produção
★ A biossíntese de todos os derivados de tetrapirróis 
começa no esqueleto C-5 do glutamato;
★ 1º o glutamato é reduzido ao glutamato-1-semialdeído pela 
glutamil-RNAt redutase;
★ O aldeído é convertido num segundo passo em ácido 
5-aminolevulínico.
★ Duas moléculas de ácido 5-aminolevulínico são condensadas 
para gerar a molécula de porfobilinogênio. 
VITAMINA B12
Linha de Produção
★ 4 moléculas de porfobilinogênio são polimerizadas, 
rearranjadas e depois ciclizadas para formar o 
uroporfirinogênio III;
★ Descarboxilação do uroporfirinogênio -> hemes e 
clorofilas; metilação -> precorrina-2;
★ Na precorrina2, as duas vias para a biossíntese da 
cobalamina divergem. 
VITAMINA B12
Linha de Produção
★ Aeróbica: a precorrina-2 é metilada na C-20 por uma 
metiltransferase adicional para dar precorrina-3A;
★ Anaeróbica: precorrina-2 é quelatado com cobalto para dar 
precorrina-2 de cobalto;
★ Enquanto as vias biossintéticas da B12 divergem na 
precorrina-2, elas se unem novamente ao nível do ácido 
adenosilcobírico;
VITAMINA B12
Linha de Produção
★ O ácido adenosilcobírico é 
convertido então em cobinamida; 
★ A adenosilcobinamida ativada por 
GDP, libera GMP e origina a molécula 
de coenzima B12 completamente 
fabricada.
VITAMINA B12
Linha de Produção
➔ Propionibacterium sp:
★ Propionibacterium shermanii e Propionibacterium 
freudenreichii;
★ Maior potencial para acumular vitamina B12 
intracelularmente -> produz intra e excreta 
principalmente ácido propiônico e ácido acético 
extracelularmente.
VITAMINA B12
Linha de Produção
➔ Propionibacterium sp:
★ Altos rendimentos apenas sob concentrações muito baixas 
de oxigênio;
★ Mas a síntese de 5,6-dimetilbenzimidazole requer O2, 
então o processo é feito em 2 etapas. 
★ 3 primeiros dias as bactérias são cultivadas 
anaerobicamente para produzir a cobamida precursora da 
vitamina B12, um intermediário que não possui a porção 
DMBI. 
VITAMINA B12
Linha de Produção
➔ Propionibacterium sp:
★ Depois é necessário arejamento 
durante 1 a 3 dias para síntese 
dependente de oxigênio do DMBI e 
ligação à cobamida.
★ IMPORTANTE: neutralizar o ácido 
propiônico acumulado para manter a 
cultura de produção em pH 7.
VITAMINA B12
Linha de Produção
➔ Propionibacterium sp:
★ Estudos utilizaram resíduos lácteos para produção de 
B12;
★ Fermentação foi realizada a 30°C sob anaerobiose durante 
a primeira metade;
★ Seguida de aerobiose pela segunda metade da fermentação;
★ O metabólito começou a acumular-se no final da fase de 
crescimento máximo (4º dia) e durou até a curva atingir 
um patamar (7º dia).
★ Vantagem: reduzir o problema da poluição da água. 
VITAMINA B12
Linha de Produção
★ Etapa mais importante; 
★ Várias etapas: extração, 
filtração por membranas e 
sorção.
★ Processos cromatográficos e 
químicos convencionais consomem 
capital e energia.
RECUPERAÇÃO DO PRODUTO
Linha de Produção
★ Biomassa centrifugada -> massa celular -> secagem. 
★ Lise celular por aquecimento da massa celular em solução 
aquosa;
★ A solução de vitamina é clarificada por filtração, 
tratamento com cloreto de zinco e depois precipitada 
pela adição de ácido tânico ou cresol para dar o produto 
com uma pureza de 80% -> padrão para aditivo alimentar.
RECUPERAÇÃO DO PRODUTO
Linha de Produção
★ Para indústria farmacêutica: a solução clarificada é 
extraída com solventes orgânicos, como o tetracloreto de 
carbono, e depois com água e butanol, seguidos de novo 
por solventes orgânicos.
RECUPERAÇÃO DO PRODUTO
Linha de produção: 
★ 6 processos de fermentação bacteriana para a produção do 
ácido 2-ceto-L-gulônico; 
★ Vias nomeadas de acordo com o intermediário;
★ Via do sorbitol; via do ácido L-idônico; via do ácido 
L-gulônico; via do ácido 2-ceto-D-glucônico; via do ácido 
2,5-diceto-D-glucônico; via do ácido 2-ceto-L-gulônico. 
ÁCIDO ASCÓRBICO
Linha de produção: 
➔ Via do sorbitol: 
★ O sorbitol é transformado por fermentação em 2-KLG 
através da L-sorbosona intermediária;
★ Transformação por cepas de Pseudomonas e Acetobacter;
ÁCIDO ASCÓRBICO
catalisam a oxidação de 
sorbitol (e/ou D-sorbitol) 
a 2-KLG através de uma 
série de desidrogenases 
ligadas à membrana.
L-sorbosona
Linha de produção: 
➔ Via do sorbitol: 
★ A oxidação final do 2-KLG é catalisada por desidrogenases 
de sorbosona ligadas à membrana ou citosólicas;
★ Estudos: Glucanobacter oxydans produziu até 60 g/L de 
2-KLG a partir de L-sorbose ou D-sorbitol, com 60% de 
conversão.
ÁCIDO ASCÓRBICO
Linha de produção: 
➔ Via do ácido 2-ceto-D-glucônico: 
ÁCIDO ASCÓRBICO
Linha de produção: 
➔ Via do ácido 2-ceto-D-glucônico: 
★ Problema na catalisação eficiente com apenas 1 microrganismo. 
★ 3 etapas: 
❏ transformação de D-glicose em ácido 
2-ceto-D-glucônico por Acetobacter melanogenus e 
Pseudomonas albosesamae;
❏ oxidação do ácido 2-ceto-D-glucônico por Bacterium 
hoshigaki e Bacterium gluconicum -> 2,5-DKG; 
❏ oxidação do ácido 2,5-DKG para 2-KLG por cepas 
Brevibacterium (+) e Pseudomonas;
ÁCIDO ASCÓRBICO
Como melhorar esses processos?
Conclusões e perspectivas
➔ Automação e padronização de processos;
➔ Testes de novos meios e condições para os microrganismos 
utilizados, de modo a atingir um rendimento máximo;
➔ Engenharia Genética;
Referências bibliográficas
★ Shrikant, A. S.; Ishwar, B. B.; Rekkah,S. S. “Biotechnological 
Production of Vitamins”. FTB Journal, Food and Fermentation 
Technology Department, Institute of Chemical Technology, University 
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★ CARVALHO, Walter et al. Aditivos alimentares produzidos por via 
fermentativa parte I: ácidos orgânicos. Revista Analytica, v. 18, p. 
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★ ALMEIDA, Carolina Paz de; et al. Biotecnologia na produção de 
alimentos. Dossiê técnico. BR - Serviço Brasileiro de Normas 
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★ FIORUCCI, Antonio Rogério; SOARES, Márlon Herbert Flora Barbosa; 
CAVALHEIRO, Éder Tadeu Gomes. Ácidos orgânicos: dos primórdios da química 
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