introdução a processos fermentativos

Introdução a

Processos

Fermentativos

Prof Bernardo Dias

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

EQB353 - MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL E ENZIMOLOGIA

Conceitos

Processos

Químicos

Catalisadores

Químicos

Processos

Enzimáticos

Biocatalisadores

(Enzimas)

Processos

MicrobianosBiocatalisadores

(Micro-organismos)

Fermentação?

Metabolismo: Processos Catabólicos Anaeróbicos

de Compostos Orgânicos

Indústria: Processos Microbianos de Larga Escala

Etapas de um Bioprocesso

Meio e Mosto

Cultura Microbiana

Características Desejáveis

-↑ Eficiência na Conversão de S P

- Permitir acúmulo de P e rápida liberação para o meio ↑ [P]

- Não produzir substâncias incompatíveis com P

- Constância quanto ao Comportamento Fisiológico

Conservação Genética

- Não ser patogênico Risco ambiental e custo adicional

- Não exigir condições de processo muito complexas

- Não exigir meios de cultura dispendiosos

Inóculo

Fases de Crescimento

Fases de Crescimento

Meio de Cultivo

- Fontes de Carbono: CO2, compostos orgânicos macromoléculas

- Fontes de Nitrogênio: NH4+, NO3

-, N2, uréia, compostos orgânicos

nitrogenados proteínas, ácidos nucleicos

- Fontes de Fósforo: PO43- ácidos nucleicos, fosfolipideos

- Fontes de Enxofre: SO42-, H2S, compostos orgânicos sulfurados, sulfetos

metálicos aminoácidos, coenzima A e vitaminas

Composição Geral

- Sais minerais: Mg, Ca, Na, K

- Elementos-traço: Fe, B, Cr, Mn, Co, Cu, Mo, Ni,

Se, W, V, Zn

- Vitaminas (Complexo B)

Componentes

enzimáticos

e/ou de vias

metabólicas

Mosto

- Custo do Substrato

- Suprimento e Disponibilidade do Substrato

- Variabilidade na Composição da Matéria-prima

- Condições de Armazenamento

- Dificuldades de Esterilização do Mosto

- Fermentescibilidade

Fatores Importantes

Matérias-primas

Tipos

- Sacaríneas: sacarose, glicose, frutose, lactose

- Amiláceas: maltose, glicose

- Lignocelulósicas: glicose, xilose

- Outras: Glicerol, Vinhaça, Licor Sulfídrico,

Óleos, gorduras e ácidos graxos

Glicerol

Matérias-primas

SacaríneasSacarose

- Caldo de cana-de-açúcar: 10-20%

Sacarose; 0,1-2,0% Glicose + Frutose

- Melaço: 32-34% Sacarose; 14-16%

Glicose; 16-18% Frutose

- Suco de frutas: 12-25% Glicose +

Frutose

- Leite e Soro de leite: 5% Lactose

Matérias-primas

Sacaríneas

“Beet root”

(Beta vulgaris var. esculenta)

≠

“Sugar beet”

(Beta vulgaris var. vulgaris)

15 – 20% Sacarose 3 – 5% Sacarose

Matérias-primas

Amiláceas

- Grãos/Cereais: Trigo, Milho, Cevada, Sorgo, Arroz

- Raízes/Tubérculos: Mandioca, Batata, Batata Doce

Zea mays

Manihot esculenta

Triticum aestivum

Sorghum bicolor

Ipomoea batatas

Matérias-primas

Amiláceas

Regiões

cristalinas

Regiões

amorfas

Biomassa % amido

Milho 62-65

Trigo 60-69

Sorgo 62-65

Cevada 55-65

Arroz 57-88

Batata 65-85

Mandioca 85-87

Centeio 56-58

Matérias-primas

Amiláceas

Milho

Levedura

Gluco-

amilaseAlfa-

amilase

1: tanque de lavagem;

2: moinho;

3: reator de cozimento/liquefação;

4: reator de sacarificação e

fermentação;

5: coluna para absorção de etanol;

6: coluna de concentração;

7: coluna de retificação;

8: peneiras moleculares;

9: primeiro trem do evaporador;

10: centrífuga;

11: segundo trem do evaporador;

12: secador.

Etanol

DDGS

B. stearothermophilus

A. niger

Matérias-primas

Celulósicas

- Resíduos Agroindustriais: Bagaço de cana, palha de arroz, sabugo de

milho, cascas de frutas

- Subprodutos da indústria madeireira: Serragem

Casca de Arroz Bagaço de canaSerragem

Sabugo de milho

Matérias-primas

Celulósicas: Pré-Tratamento

- Remoção da lignina

- Solubilização da Hemicelulose

- ↓ Cristalinidade da Celulose

- Alcalino:NH3, NaOH, H2O2

+ NaOH

- Ácido: Diluído ou

Concentrado, H2SO4, HCl

- Físico: Explosão a Vapor

Enzimático: Celulase

Celulose

(%)

Hemicelulose

(%)

Lignina

(%)

Bagaço

de cana36 28 20

Palha de

milho36 28 29

Papelão 47 25 12

Palha de

arroz33 26 7

Matérias-primas

Celulósicas: Pré-Tratamento

- Líquidos Iônicos

Acetato de 1-etil-3-metilimidazol:

[C2mim][Ac]

Cloreto de 1-butil-3-metilimidazol:

[C4mim][Cl]

Glicose

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Glicose

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Endoglucanases

Celobiohidrolase I

Celobiohidrolase II

ß-glicosidases

AÇÃO SINÉRGICA

CASTRO, AM

Impelidores

A1) Helice Propeler (Naval)

A2) Helice PBT (Palhetas inclinadas)

B1) Hélice Turbina (Rushton)

B2) Hélice Disco de Cowles

C) Ancora

D) Ribbon (Helicoidal)

Fermentadores

Fermentadores

Volumes

5-1000 m³

Classificação dos Processos

Quanto a Condução

Batelada Simples Batelada

Alimentada

Batelada por Cortes

Contínuo

Reciclo de Inóculo

Volume

constante

Volume Final

Volume Inicial

Alimentação Alimentação

Saída

Volume

constante

Saída

Alimentação

Classificação dos Processos

Quanto ao Estado Físico do Meio

- Submerso

- Estado Sólido, ou Semi-Sólido

Sem agitação Agitação contínua ou frequente

Aeração

forçada

Sem

Aeração

forçada

Classificação dos Processos

Quanto ao Suprimento de O2

- Aeróbio (Natural ou forçado)

- AnaeróbioClostridium sp.

Cinéticas dos Processos

Gaden (Velocidades Especificas x Tempo)P associado a X P não associado a X

P semi-

associado

a X

tempo tempo tempo

[X][X] [X]

[P]

[P]

[P]

Limitação de

Nitrogenio e

Inicio da

Produção

Cinéticas dos Processos

Deindoerfer (Concentração x Tempo)

[P] [P][P]1

[P]2

[S] [S] [S]

[S]2

[S]1

[X]

[I]

Repressão

Catabólica

Diauxia

Tipos de Fermentadores

Coluna de Bolhas

Agitados Pneumaticamente

Air-lift

Células Imobilizadas

Tipos de Fermentadores

Leito Fixo Leito Fluidizado

AlimentaçãoAlimentação

Ar Ar

ArAr

SaídaSaída

Membranas

Tipos de Fermentadores

Alimentação

Saída

Ar

Substrato

Produto

Membranas

Tipos de Fermentadores

Processo Força Motriz Material retido Aplicações

Microfiltração ∆P (0,5 – 2 atm) MM > 500 kDa Esterilização de Meios;

Concentração de células;

Clarificação de Vinhos e

Cerveja

Ultrafiltração ∆P (1 – 7 atm) MM > 5 kDa Fracionamento e

concentração de

proteínas; Recuperação

de metabólitos

secundários

Nanofiltração ∆P (3 – 30 atm) MM > 0.2 kDa Dessalinização de

bebidas; Recuperação de

metabólitos secundários

Pervaporação ∆C Solutos menos

permeaveis

Recuperação de

metabólitos voláteis,

solventes

Eletrodiálise ∆E Solutos não-

iônicas

Recuperação de ácidos

orgânicos

Processos de Downstream

- Filtração

- Centrifugação

- Microfiltração

- Floculação

Separação

Rompimento Celular

- Método Químico: Solventes, Choque Osmótico, Detergentes,

Saponificação

- Método Físico: Ultrassom, Homogeneizador a Alta Pressão, Moinho

de Bolas, Termólise, Congelamento/Descongelamento

- Método Enzimático: Lisozima, Beta-Glucanase

Processos de Downstream

Extração

Concentração

- Solvente

- Bifásica Aquosa

- Membranas: Ultrafiltração, Nanofiltração

- Precipitação

Purificação- Cromatografia: Exclusão Molecular, Troca Iônica, Afinidade,

Interação Hidrofóbica, Adsorção

Integração Produção-Separação

Fermentação Extrativa Solventes utilizados: Dodecanol, dibutil-

ftalato, querosene, dioctil-ftalato, octanol, ciclohexano, silicone, dodecano,

hexadecano, e tetradecano

Arraste por Gás Passagem de gás (N2 ou CO2) pelo fermentador

durante a produção do metabólito, que é depois condensado, sendo o gás

reciclado para o processo

Adsorção Uso de matrizes poliméricas, carvão ativo, zeólitas, silica,

resinas de troca iônica.

Complexação Ciclodextrinas

Cálculos

Cálculos

Referências

- Biotecnologia Industrial, Vol. 2, Engenharia Bioquímica; Schmidell, W.; Lima, U.A.; Aquarone, E.; Borzani, W.; Editora Edgard

Blücher, 2001.

- Industrial Biotechnology, Soetaert, W.; Vandamme, E.J.; Wiley-

VCH, 2010.

- Comprehensive Biotechnology, Vol. 1, 2 e 3; Moo-Young,

M.; Elsevier, 2011.

- Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation,

Biocatalysis and Bioseparation, Vol. 1 – 5; Flickinger, M.C.;

Drew, S.W.; Wiley-Interscience, 1999.