1º Estudo Dirigido - Respondido

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ 
DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA DE ALIMENTOS 
 
 
Disciplina: Operações Unitárias nas Indústrias de Fermentação 
Professora: Sueli Rodrigues 
Aluna: Maria Karoline Fernandes de Oliveira - 352256 
 
ESTUDO DIRIGIDO 
 
1) Defina o que é uma operação unitária e qual a importância de seu estudo em um 
processo produtivo. 
 Operação Unitária é toda a unidade do processo onde os materiais sofrem alterações 
no seu estado físico ou químico e que pode ser projetada com base em princípios 
físico/químicos comuns. Esta noção ajudou a sistematizar o ensino dos Processos 
Químicos, evidenciando que cada processo pode considerar-se constituído por unidades 
menores, baseadas em princípios físico/químicos comuns. 
 
2) Quais as principais operações unitárias encontradas num processo fermentativo? 
 Transferência de massa, transporte de sólidos, destilação, filtração, cristalização e 
evaporação. 
 
3) Qual a diferença entre assepsia e esterilização? Quando um meio de cultura precisa 
ser esterilizado? 
 Assepsia é a remoção de microrganismos patogênicos ou indesejados. 
 Esterilização é o processo que promove completa eliminação ou destruição de todas 
as formas de micro-organismos presentes: vírus, bactérias, fungos, protozoários, 
esporos, para um aceitável nível de segurança. Precisam ser esterilizados meios de 
cultura para a produção de enzimas, vitaminas, antibióticos, etanol, já que estes 
necessitam ser puros, pois contaminantes (microrganismos estranhos) que estão 
presentes no ar, água, equipamento, vidraria, e no próprio meio de cultura sólidos 
sejam retirados para não consumirem o meio de cultivo, competindo assim com os 
micro-organismos responsáveis pela fermentação desejada. Em processos industriais 
prefere-se, sempre que possível, utilizar culturas puras. 
 
4) Quais as diferenças entre um meio de cultura sintético e um meio de cultura natural? 
Qual é melhor e em que situação? 
 O meio de cultura sintético é aquele quando composição química é conhecida 
(usados para trabalhos de pesquisa) e seus componentes servem para suprir as 
exigências nutritivas dos microrganismos, em fontes de carbono, nitrogênio, vitaminas, 
energia, sais minerais, dentre outros, quando então são conhecidas as necessidades 
nutricionais específicas. 
 Vantagens: Sistema produtivo estável, não apresentam problemas além de 
oferecer uma maior economia na recuperação e purificação do produto final; 
 Desvantagem: Oneroso. 
 O meio natural ou complexo é aquele quando se utiliza ingredientes com 
composição química não definida, tais como extratos de vegetais (malte, tomate, amido 
de tubérculos, peptona de soja, etc.) de animais (carne, cérebro, fígado, caseína, etc.) e 
de microrganismos (levedura). 
 Vantagens: Mais baratos. 
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 Outra grande vantagem deste meio é que podem estimular esporulações que não 
ocorrem em meio mínimo 
 Desvantagens: Oscilações no processo fermentativo (concentrações de nutrientes 
desconhecidas), ou seja, sua composição pode diferir de lote para lote. Possíveis 
dificuldades na recuperação do produto final. 
 
5) Quais as principais características que deve ter um meio de cultura para um processo 
fermentativo industrial? 
- Ser o mais barato possível; 
- Atender as necessidades nutricionais do microrganismo; 
- Auxiliar no controle do processo (ser ligeiramente tamponante, por exemplo); 
- Não provocar problemas na recuperação do produto; 
- Ter composição razoavelmente fixa; 
- Não causar dificuldade no tratamento de efluente. 
 
6) Quais as características desejadas em um microrganismo para uso industrial? 
- Elevada eficiência de conversão do substrato em produto; 
- Permitir o acúmulo do produto no meio (elevada concentração no caldo fermentado); 
- Mínimo de conversão do substrato em células 
- Mínimo acúmulo de compostos intermediários (caso da produção de enzimas e 
antibióticos) 
- Utilizar linhagem com alta estabilidade fisiológica; 
- Não produzir substâncias incompatíveis com o produto; 
- Não exigir condições de processo muito complexas (pH, oxigênio dissolvido, 
formação de espuma); 
- Não exigir meios de cultura dispendiosos; 
- Permitir a liberação do produto (produção x liberação); 
- Não ser patogênico. 
 
7) Qual a diferença entre um agente bactericida e um bacteriostático? 
 Bactericidas são agentes capazes de causar a morte de microrganismos. Já os 
Bacteriostáticos são capazes de impedir a reprodução de microrganismos, sem 
necessariamente matá-los. 
8) Quando é possível utilizar métodos químicos de esterilização e assepsia? Quando 
estes métodos são inadequados? 
 São utilizados quando equipamentos não admitem esterilização pelo vapor de água 
saturado (autoclaves) filtros, bombas, centrífugas, secadores, equipamentos de medição, 
válvulas, etc. São inadequados para meios de cultura, pois são capazes de modificar os 
compostos atuando negativamente sobre os micro-organismos. 
9) Qual a diferença entre esterilização por calor úmido e por calor seco? Qual é melhor? 
 No calor úmido se utiliza temperatura elevada associada ao alto grau de umidade e 
mata pela desnaturação irreversível de enzimas e proteínas. Altas temperaturas e 
pressões garantem a esterilidade. Mais rápido e mais eficaz método de esterilização. No 
calor seco os micro-organismos são destruídos através da oxidação de seus constituintes 
químicos. Menos eficaz e muito mais lento que o calor úmido, devido à baixa 
transferência de calor e ao menor nível de hidratação das células. 
 
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10) Qual a melhor maneira de se esterilizar ar? Em que situações a esterilização do ar é 
necessária? 
 Através do método de filtração. Solução mais adequada para a obtenção de altas 
vazões de ar esterilizado, em virtude dos baixos custos envolvidos e de filtros bastante 
confiáveis. São empregados para a filtração do ar em câmaras de fluxo laminar de 
segurança biológica ou em “salas limpas”. 
 
11) Por que bactérias esporuladas são mais resistentes que bactérias vegetativas? 
 A esporulação, processo pelo qual alguns gêneros de bactérias formam esporos, 
ocorre quando estas bactérias estão em ambiente que ameaçam a sua sobrevivência, que 
não tem nutrientes suficientes para que cresçam e se reproduzam. 
As condições ambientais são adversas para o crescimento bacteriano. De maneira geral, 
isto ocorre quando há falta de nutrientes. O esporo é uma camada que protege a bactéria 
e é responsável pela resistência e ao ataque dos agentes físicos e químicos da 
esterilização e desinfecção. As bactérias podem permanecer vivas na forma de esporos 
durante anos, se mantidos a temperaturas usuais e em estado seco. Entretanto, assim que 
o ambiente se torna favorável, estes esporos podem voltar a se reproduzir e multiplicar. 
 
12) Quais os principais parâmetros que devem ser monitorados em um processo 
fermentativo? 
 Temperatura; 
 Gases; 
 Agitação; 
 pH; 
 Produção de Biomassa; 
 Consumo de substrato; 
 Produto final. 
 
13) O que é inoculo? Quando e como ele é preparado e qual sua importância no 
desenvolvimento de processo fermentativo? 
 É a denominação dada à suspensão de micro-organismos de concentração adequada, 
a ser usada na fermentação. Com a multiplicação dos micro-organismos, torna-se 
necessário a mudança do fermentado para recipientes maiores. A preparação do inoculo 
é dividida em duas fases: 
 Fase laboratorial 
É realizada em pequenas quantidades, onde uma cultura pura é inoculada 
diretamente no meio, em condições ótimas para seu crescimento. 
 Fase industrial 
 Depois do crescimento inicial, o mosto é levado a grandes dornas ou 
fermentadores. 
 
14) O que é cultura pura quando ela e utilizada? 
 A cultura pura de um dado microrganismo é uma cultura de células genética e 
morfologicamente idênticas. A imobilizaçãodas células num meio sólido torna possível 
a visualização do crescimento em massas celulares isoladas denominadas colônias. É 
utilizada quando se pretende analisar certas características de determinados micro-
organismos. 
 
 
4 
 
 
15) Quando é necessário esterilizar um meio de cultura a frio? Qual o método mais 
empregado? 
 Em casos em que a inativação térmica de nutrientes do meio é significativa (cultura 
de células animais, vegetais ou de insetos, por exemplo). Emprega-se a filtração em 
membranas ou cartuchos esterilizantes para remover fisicamente os micro-organismos. 
 
16) Quais os métodos de esterilização que utilizam radiação? Quais são suas vantagens 
e desvantagens? 
Métodos físicos. 
Radiação Ultravioleta 
Os raios ultravioletas agem diretamente sobreo DNA e RNA, alterando a estrutura 
dessas moléculas e provocando danos ao processo de manutenção e divisão celular – 
Utilizada para esterilizar materiais sólidos como vidrarias, utensílios metálicos, 
embalagens, ar e etc. 
 Vantagens: Esteriliza uma variedade de materiais; 
 Desvantagens: Baixo poder de penetração, deve ser empregada em local 
específico longe da presença de pessoas e animais. Longos períodos de 
exposição (esterilização do ar) 
Radiação Gama: 
Agem alterando as moléculas de DNA dos microrganismos, danificando-as 
irreversivelmente. – Utilizada para esterilizar vidrarias, pós, alimentos, sementes, 
embalagens, metais, solos, material cirúrgico, etc.; 
 Vantagens: Esteriliza uma variedade de materiais; 
Os materiais expostos à radiação gama não guardam resquícios radioativos; 
 Desvantagens: Caro e perigoso, requer uma equipe altamente especializada. 
 
17) Quando e necessário esterilizar um equipamento para fermentação? Descreva como 
e normalmente realizado este processo? 
 Os processos de produção de bens destinados à saúde humana ou animal e os de 
alimentos enlatados estão entre os mais restritivos com respeito à presença de 
contaminantes. Nesses casos, a simples presença de uma única célula de contaminante 
pode pôr a perder todo um lote do produto. Portanto nestes casos é primordial que os 
equipamentos sejam previamente esterilizados para evitar qualquer tipo de 
contaminação. Geralmente realizada por calor úmido. 
Reatores vazios: 
1. Injeta-se vapor no interior (saída do ar) 
2. Fecha o reator 
3. Injetava por (121 °C / 1 atm) 
4. Temperatura e pressão constantes 
5. Término da esterilização(ar estéril é injetado) 
6. Após resfriamento, adiciona-se meio de cultura estéril. 
7. Utilização do reator normalmente 
Reatores com meios de cultura (esterilização descontínua): 
1ªetapa: 
Circula-se vapor pela serpentina ou camisa até que a temperatura do meio de cultura 
seja maior que 96 a 97ºC. 
2ªetapa: 
5 
 
2.1 Injeta-se vapor diretamente no meio de cultura até atingir100°C. 
2.2 Fecha-se o reator; 
2.3 A injeção continua até a temperatura de 121°C/1 atm (mantidas através da 
serpentina ou camisa). 
3ªetapa: 
Resfriamento feito pela circulação de água fria na serpentina ou camisa. 
18) Quais as diferenças entre esterilização continua e descontinua de meios de cultura? 
Qual é melhor e por quê? 
Descontínuo (batelada): 
O meio de cultura é colocado dentro do fermentador: esterilizam-se meio + 
fermentador. 
 Vantagens: Diminui os riscos de contaminação nas operações de transferência 
do meio para a dorna. 
 Desvantagens: Como é mantido em temperaturas muito altas o meio pode sofrer 
alterações; 
Problemas de corrosão por contato prolongado do meio com o fermentador; 
Elevados consumos de vapor e água. 
 Contínuo: 
O meio de cultura é esterilizado antes de entrar no fermentador. 
 Vantagens: Menor destruição de nutrientes do meio de cultura: tempo de 
permanência do meio em T elevada é pequeno (10 a 15min); 
Maior rendimento; 
Economia de vapor e de água de resfriamento; 
Evita contaminação metálica do meio de cultura com a parede do tubo: tubo de 
espera com dimensões pequenas, etc. 
No caso o melhor método, pois evita a destruição de nutrientes além das outras 
vantagens comparadas ao método descontínuo de esterilização do meio. 
 
19) Quais são os principais parâmetros de transformação considerados em um processo 
fermentativo? 
 São as velocidades instantâneas de transformação da biomassa do substrato e do 
produto além de suas respectivas velocidades específicas. 
 
20) Qual a diferença entre velocidade instantânea e velocidades especificas de 
transformação? 
 Velocidade instantânea é aquela em dado instante de tempo x (sofre variações) das 
taxas de crescimento da biomassa, consumo de substrato e formação de produto. 
 Velocidade específica expressa à evolução das taxas de crescimento da biomassa 
consumo de substrato e formação de produto de forma geral. 
 
21) Quais as três principais classificações de processos fermentativos em relação à 
curva de crescimento microbiano? Qual a diferença entre elas em termos de taxa 
especifica de consumo de substrato, formação de produto e crescimento microbiano? 
1. Associada ao crescimento: Quanto maior o crescimento microbiano, maior o 
consumo de substrato e a fabricação do produto. Ou seja, neste caso a taxa (velocidade) 
de formação de produto de produto rP está diretamente relacionada á taxa de consumo 
de substrato. 
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2. Parcialmente associada: É comum em várias fermentações, haver uma associação 
parcial entre crescimento e formação de produto. Em Luedeking e Piret (1959), 
propuseram um modelo misto para a síntese de ácido láctico que relaciona a taxa de 
formação de produto à taxa de crescimento e à concentração celular. 
3. Não associada: Em muitas fermentações, especialmente naquelas envolvendo 
metabólitos secundários, significante formação de produto só se inicia após decorrido 
grande tempo de cultivo, já na fase estacionária do crescimento em batelada. Um 
exemplo típico são os antibióticos. Metabólitos secundários não necessários para o 
crescimento do organismo. A taxa de formação de produto depende apenas da 
concentração celular. 
 
22) Quais são as quatro etapas principais da curva de crescimento microbiano? 
 
1. Fase Lag (fase de adaptação) 
 É o período que ocorre pouca ausência de divisão celular. Durante esse tempo, as 
células se encontram em um estado de latência. Esta população está passando por um 
período de intensa atividade metabólica, principalmente síntese de enzimas e de 
moléculas variadas. 
 
2. Fase Log (fase exponencial) 
 A partir de um determinado momento, as células iniciam seu processo de divisão 
entrando no período de crescimento. Durante esse período, a reprodução celular 
encontra-se extremamente ativa, e o tempo de geração atinge um valor constante, é o 
período de maior atividade metabólica da célula. 
 
3. Fase Estacionária 
 Em determinado momento a velocidade de crescimento diminui, o número de morte 
celular é equivalente ao número de células novas, e a população se torna estável. A 
atividade metabólica de cada célula também decresce nesse estágio, há pouco nutriente 
e acúmulos de produtos de degradação. 
 
4. Fase de Declínio 
 Em determinado momento, a população microbiana entra na fase de morte celular, 
pois o número de células mortas excede o de células novas. Essa fase continua até que a 
população tenha diminuído para uma pequena fração do número de células da fase 
anterior, ou até que tenha desaparecido totalmente. Não Há nutriente. 
 
 
23) O que é taxa máxima de crescimento microbiano? Como ela pode ser obtida? Em 
qual etapa da curva de crescimento ele se encontra?Ocorre quando os micro-organismos dividem-se e a população cresce com uma taxa 
específica de crescimento máxima devido à disponibilidade de excesso de nutrientes. O 
crescimento da população possui taxa (velocidade) constante. O valor desta taxa de 
crescimento depende do potencial genético do microrganismo, da composição do meio 
de cultura e das condições de crescimento (temperatura, pH, disponibilidade de água, 
etc.). Encontra-se na fase exponencial. 
 
24) Como pode ser calculada a taxa de crescimento especifico pelo método das 
tangentes? 
7 
 
 O calculo das velocidades é calculado pela inclinação da reta tangente AB a curva 
tanto de crescimento microbiano, consumo de substrato ou formação de produto 
respectivamente. 
Os valores numéricos de cada parcela correspondem às coordenadas dos pontos 
arbitrários A e B, escolhidos sobre a reta. 
 
25) A fermentação alcoólica é utilizada industrialmente para obtenção de diversos 
produtos tais como: etanol solvente e combustível; cachaça, vinhos e demais bebidas 
alcoólicas. O processo consiste no cultivo de leveduras em um meio contendo um 
açúcar como fonte de carbono (normalmente glicose, sacarose ou frutose). Um 
pesquisador estudando a fermentação alcoólica de leveduras obteve os seguintes dados 
em seu laboratório: 
 
Tempo (h) Biomassa (g/L) Açúcar (g/L) Etanol (g/L) 
0 0,150 50 0 
1 0,165 47 1,5 
2 0,180 45 2,5 
3 0,200 40 5 
4 0,250 35 7,5 
5 0,500 30 10 
6 0,750 25 12,5 
7 0,800 20 15 
8 0,850 18 16 
9 0,900 15 17,5 
10 0,925 10 20 
12 0,925 9 20 
15 0,925 8,5 20 
 
 
a) Faça o gráfico da curva de crescimento microbiano e identifique as principais fases 
de crescimento desta curva. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16
X
 (
g/
L)
 
Tempo (horas) 
Curva de Crescimento Microbiano 
8 
 
FASES DE CRESCIMENTO MICROBIANO 
Fase Tempo (h) 
Lag ou de Latência 1 a 4 
Log ou Exponencial 4 a 10 
Estacionária 10 a 15 
Declínio Não houve 
 
 
b) Calcule as taxas instantâneas e especificas para o crescimento microbiano, o 
consumo de açúcar e a formação de etanol e faça um gráfico da velocidade específica 
em função do tempo. De acordo com o gráfico obtido a produção de etanol é: associada, 
parcialmente associada ou não associada ao crescimento microbiano? Por quê? 
 
 
VELOCIDADES INSTANTÂNEAS 
Tempo(h) Biomassa (rX) Açúcar (rS) Etanol (rP) 
 1 0,015 3,0 1,5 
2 0,015 2,0 1,0 
3 0,020 5,0 2,5 
4 0,050 5,0 2,5 
5 0,250 5,0 2,5 
6 0,250 5,0 2,5 
7 0,050 5,0 2,5 
8 0,050 2,0 1,0 
9 0,050 3,0 1,5 
10 0,025 5,0 2,5 
12 0,000 0,5 0,0 
15 0,000 0,2 0,0 
 
 
VELOCIDADES ESPECÍFICAS 
Tempo(h) Biomassa (μX) Açúcar (μS) Etanol (μP) 
1 0,0909 18,18 9,09 
2 0,0833 11,11 5,56 
3 0,1000 25,00 12,50 
4 0,2000 20,00 10,00 
5 0,5000 10,00 5,00 
6 0,3333 6,67 3,33 
7 0,0625 6,25 3,13 
8 0,0588 2,35 1,18 
9 0,0556 3,33 1,67 
10 0,0270 5,41 2,70 
12 0,0000 0,54 0,00 
15 0,0000 0,18 0,00 
9 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Porque a taxa (velocidade) de formação de produto de produto (rP) está diretamente 
relacionada á taxa de consumo de substrato. 
 
c) Calcule o rendimento máximo em etanol obtido no processo bem como sua 
produtividade em função do tempo de fermentação. Se a fermentação fosse conduzida 
por um tempo mais longo, até o consumo total de açúcar, a produtividade aumentaria? 
 
Rendimento de Etanol: 
C6H12O6 ----------- C2H3OH +2CO2 
1 mol C6H12O6 ---------------------- 2 mols C2H3OH 
180g ---------- 2 46g 
50g ----------- x 
x = 25,5g ( rendimento teórico) 
Etanol Produzido= 20g 
N = 
 
 
 = 78,26% 
Rendimento = 78,26% 
 
Produtividade de Etanol: 
PP = 
 – 
 
 = 
 – 
 
 = 1,3333g L
-1
h
-1
 
A produtividade não aumentaria, pois o rendimento máximo é de 20g L
-1.
 
 
d) Calcule a produtividade máxima em biomassa a para o processo. 
 
Produtividade de Biomassa: 
PX = 
 – 
 
 = 
 – 
 
 = 0,0517g L
-1
h
-1
 
 
e) Calcule os fatores de transformação Y X/S; YX/P e YP/S para o processo em 
questão. 
-5,0000
0,0000
5,0000
10,0000
15,0000
20,0000
25,0000
30,0000
0 5 10 15 20
Classificação do Processo Fermentativo: 
Associada ao Crescimento 
Biomassa (μX) 
Açúcar (μS) 
Etanol (μP) 
10 
 
 
f) Qual a taxa máxima de crescimento microbiano? Em que instante da fermentação ela 
ocorre? 
 A taxa máxima de crescimento microbiano ocorreu no t = 4h 
 
26) O manitol é um açúcar álcool de cadeia aberta utilizado como adoçante na indústria 
de alimentos na produção de gomas de mascar. Sua produção pode ser realizada tanto 
via química através da reação catalítica de uma mistura de glicose e frutose como via 
processo fermentativo. Um estudo de fermentação a bactéria láctea 
Leuconostocmesenteroides realizado no Laboratório de Biotecnologia do Departamento 
de Tecnologia de Alimentos da UFC, utilizando suco de caju adicionado de fosfato de 
potássio, extrato de levedura e sacarose resultou nos seguintes dados: 
 
Tempo 
(h) 
Sacarose 
(g/L) 
Glicose 
(g/L) 
Frutose 
(g/L) 
Manitol 
(g/L) 
Células 
(g/L) 
pH 
0 40,48 18,00 13,82 0,94 0,105 6,35 
1 39,83 17,86 13,81 1,03 0,110 6,27 
2 39,20 17,78 13,11 1,20 0,181 6,21 
3 38,78 17,68 12,81 1,54 0,256 6,19 
4 38,20 17,12 12,42 1,74 0,389 6,15 
5 36,78 16,50 12,30 1,90 0,470 5,97 
6 36,20 16,06 12,03 4,29 0,597 5,55 
7 35,37 15,85 11,52 6,27 0,727 5,21 
8 34,66 15,82 1,52 7,52 0,852 4,93 
9 31,84 14,52 9,06 8,22 0,936 4,75 
 
 
a) Faça o gráfico da curva de crescimento microbiano e identifique as principais fases 
de crescimento desta curva. 
 
b) Calcule as taxas instantâneas e especificas para o crescimento microbiano, o 
consumo de açúcares (sacarose, glicose e frutose) e a formação de manitol e faça um 
gráfico da velocidade específica em função do tempo. De acordo com o gráfico obtido a 
produção de manitol é: associada, parcialmente associada ou não associada ao 
crescimento microbiano? Por quê? 
 
c) Calcule o rendimento máximo em manitol obtido no processo (em função do açúcar 
total consumido) bem como sua produtividade em função do tempo de fermentação. Se 
a fermentação fosse conduzida por um tempo mais longo, até o consumo total de açúcar, 
a produtividade aumentaria? 
 
d) Calcule a produtividade máxima em biomassa a para o processo. 
 
e) calcule os fatores de transformação Y X/S; YX/P e YP/S para o processo em questão. 
 
f) Qual a taxa máxima de crescimento microbiano? Em que instante da fermentação ela 
ocorre?