Fermentação em Estado Sólidos

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melissa@eq.ufrj.br
Quais são os 
principais tipos de 
fermentação/cultivo?
São classificadas em relação ao tipos de fase
Fase aquosa principalmente a fermentação
submersa (em profundidade)
Fermentação submersa grande maioria dos processos
industriais
Fase não-aquosa - fermentação em estado sólido
FS x FES
FES FS
Meio de cultivo sem fase líquida continua Meio de cultivo com fase líquida
Substratos geralmente insolúveis em água Substrato solúveis em água
A água em quantidade apenas suficiente 
para o crescimento
Grande quantidade de água
A absorção de nutrientes ocorre a partir do 
substrato sólido umedecido
Ocorre a absorção de nutrientes 
dissolvidos no líquido
Presença de gradientes de calor, 
nutrientes, produtos e O2
Calor, nutrientes, produtos e O2
uniformemente distribuídos
Maiores concentrações de inóculo Menores concentrações de inóculo
Aeração disponibiliza O2 e remove o calor 
metabólico e os produtos gasosos
Aeração disponibiliza O2 e remove os 
produtos gasosos, mas o calor metabólico 
é removido por dispositivos específicos 
para troca de calor
Agitação facultativa Agitação geralmente essencial
Produtos mais concentrados Produtos menos concentrados
Fermentação em estado sólido (FES): definição
Fermentação em estado sólido (FES) é geralmente definida
como o crescimento de microrganismos em materiais sólidos
úmidos na ausência ou quase ausência de água não
absorvida do material sólido, apresentando fase contínua de
gás no espaço entre as partículas.
Fase 
gasosa 
contínua
Fase 
líquida
Gotas de 
água
Água e 
nutrientes 
absorvidos no 
material sólido
Características:
- Meio de cultivo : compostos de origem vegetal ou meio 
definidos ou semi-definidos
- Matriz sólida: compostos vegetais ou matrizes inertes
Emprego de resíduos e sub-produtos da 
agroindústria
- compostos vegetais
(amberlite, perlite, vermiculite, polipropileno, poliuretano)
- Suportes inertes
Que microrganismos 
crescem em FES?
- Bactérias (enzimas, compostagem, alimentos)
Bacillus sp., Pseudomonas sp., Serratia sp., Streptococcus
sp., Lactobacillus sp.
- Leveduras (enzimas, etanol, ácido cítrico)
Saccharomyces cerevisiae, Candida tropicallis, Yarrowia
lipolytica
- Fungos filamentosos (muitas aplicações)
Aspergillus sp., Fusarium sp., Mucor sp., Rhizopus sp.,
Penicillium sp.
Características dos microrganismos que crescem
em FES
- São quimiotróficos e heterotróficos
- Geralmente mesofílicos
- São geralmente aeróbios
- Podem crescem em baixa atividade de água
- São capazes de utilizar compostos complexos como fonte
de carbono e energia
- Produzem enzimas extracelulares
Por que os fungos 
filamentosos são os mais 
empregados em FES?
Crescimento em superfície sólida mais próximo ao seu
habitat natural
Podem crescer em baixa atividade de água
Penetração do material sólido maior acesso aos
nutrientes
Crescimento de hifas aéreas capitação de oxigênio
Produção de esporos dispersão e resistência
Produção elevada gama de enzimas extracelulares
Figura Rahrdjo 2006
Crescimento de fungos 
filamentosos
Crescimento em FES
- Fungo filamentoso pode crescer na superfície e no interior
dos grãos (depende da porosidade da partícula)
- Bactérias e leveduras crescimento na superfície
Crescimento de fungos filamentosos em FES e FS
Maior produção de esporos
Vantagens da FES
- Baixo custo
- Menor espaço requerido para os biorreatores em relação ao
rendimento do produto
- Maior concentração do produto
- Menor probabilidade de contaminação
- Maior produtividade
- Enzimas com características melhores
- Esporos mais resistentes.
Desvantagens da FES
- Sistema heterogêneo - Baixa transferência de calor e de
massa
- Dificuldade de monitoramento e controle de parâmetros
dependendo do biorreator
- Dificuldades na ampliação de escala 
- Disponibilidade de biorreatores industriais
- Emprego de elevada concentração de inóculo
Principais etapas da FES
1) Preparação do inóculo
# Deve ter uma concentração adequada, ter alta viabilidade
(fase de crescimento) e estar adaptado (condições de
propagação)
# Depende do tipo de microrganismo
# Bactéria e levedura - geralmente o inóculo é propagado
em meio liquido
# Fungo filamentoso forma vegetativa e/ou de reprodução
Pode ser propagado em meio liquido ou sólido
2) Preparação do substrato
# Pode precisar ser cortado, desfiado, quebrado ou moído e
posteriormente separado no tamanho de partícula
apropriado
# Pode ser necessário o cozimento (aumentar a
disponibilidade de nutrientes) ou o pré-tratamento
# Pode precisar ser esterilizado ou pasteurizado.
Este processo pode ser dentro ou fora do biorreator.
3) Preparação do biorreator
# Pode precisar ser esterilizado e pode estar ou não
carregado.
4) Inoculação e carregamento
# A inoculação pode ser antes (biorreatores não agitados)
ou depois do carregamento (biorreatores agitados).
# Em larga escala esta etapa deve ser feita mecanicamente.
5) Operação do biorreator
# Vai depender do tipo de biorreator geralmente em
batelada
# Principais condições do processo que devem ser
ajustadas no início e controladas ao longo da fermentação:
- fluxo de ar
- temperatura
- velocidade de agitação
- teor de umidade
6) Descarregamento
# Em alguns casos o produto pode ser seco dentro do
biorreator antes do descarregamento.
7) Processo de downstream
# Depende do processo os sólidos fermentados podem ser
o produto ou este pode precisar ser extraído (etapa que não
ocorre em FS) e posteriormente purificado.
8) Disposição do resíduo
# Não é necessário quando os sólidos fermentados são o
próprio produto (alimento, ração animal)
# O resíduo gerado deve ser descartado de forma a
minimizar o impacto no ambiente.
Classificação quanto a operação
1) Sem aeração forçada e não agitado
-Biorreator do tipo bandeja
2) Com aeração forçada e não agitado
- Biorreator de leito fixo
3) Sem aeração forçada e agitado
- Tambor rotatório e tambor agitado
4) Com aeração forçada
(A) agitado continuamente
- Biorreator de leito agitado
- Biorreator de leito fluidizado
(B) agitado intermitentemente
- Biorreator de leito agitado
Classificação quanto a operação
Como escolher o tipo de 
biorreator ?
Depende da matéria-prima, do microrganismo e do
produto formado.
O processo é em pequena ou larga escala?
larga pequena
Outros biorreatores Biorreator do tipo bandeja
O microrganismo e matéria-prima toleram agitação?
Não muito bem sim
A agitação deve ser minimizada.
Deve utilizar um biorreator com
agitação intermitente.
Biorreatores do tipo agitado
Não sim
O microrganismo cresce muito rapidamente?
Tambor rotatório ou 
agitado
Biorreator de leito agitado 
(aeração forçada será 
necessária)
Aplicações da FES
- Produtos:
# alimentos fermentados - molho de soja, Temph, Sake
# produtos bioativos - alto valor agregado (micotoxinas,
antibióticos, fatores de crescimento de plantas)
# enzimas - redução de custos (protease, celulase, amilase)
# ácidos orgânicos (ácido cítrico, ácido lático)
# biopesticidas - maior produtividade
# aromas - maior produtividade
- Processos: biorremediação e biodegradação de compostos; 
detoxificação de resíduos agroindustriais