PROCESSOS BIOQUÍMICOS Introdução Conceitos Gerais Processo Equipamentos

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1 Universidade do Estado do Rio de Janeiro Faculdade de Tecnologia Campus Regional de Resende Departamento de Química e Ambiental PROCESSOS BIOQUÍMICOS Introdução Conceitos Gerais Processo Equipamentos Profa: Denise Godoy

2 TECNOLOGIA DAS FERMENTAÇÕES Produção industrial de bens de consumo Microorganismos (biomassa) Polissacarídeos & Aminoácidos Ácidos, álcoois e solventes Enzimas e vitaminas Antibióticos e esteróides MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL Utilização industrial de microrganismos como agentes de degradação e síntese Preservação de madeiras Produção de alimentos Tratamento de efluentes

3 CORROSÃO MICROBIOLÓGICA Deterioração de materiais Produção materiais biodegradáveis ENGENHARIA BIOQUÍMICA Processos de esterilização, agitação, aeração e separação Cinética e termodinâmica dos processos bioquímicos Operação e controle de processos Construção de equipamentos e escala de trabalho Processos Contínuos e Descontínuos de fermentação

4 BIOTECNOLOGIA o conjunto de conhecimentos técnicos e métodos, de base científica ou prática, que permite a utilização de seres vivos como parte integrante e ativa do processo de produção industrial de bens e serviços Classificação moderna BIOTECNOLOGIA VERDE Abrange a área de utilização da cultura moderna de plantas. Introduzidas resistências direcionadas contra insetos, fungos, vírus e herbicidas

5 BIOTECNOLOGIA BRANCA Utilização da biotecnologia dentro da indústria química. Produzir bioprodutos de interesse comercial aplicando recursos naturais. BIOTECNOLOGIA VERMELHA Utilização da biotecnologia na área médica. Desenvolvimento de novos medicamentos; diagnóstico (chips de DNA, sensores biológicos)

6 COMPARAÇÃO PROCESSOS BIOQUÍMICOS X PROCESSOS QUÍMICOS PROCESSOS QUÍMICOS: conjunto de reações químicas classificado de acordo com a natureza das matérias primas e produtos Exemplos: A B Processo Inorgânico - Metalurgia do Alumínio Metálico Al / Na3AlF6 / e 0 2 2O 3 2Al 3O2 Processo Orgânico - Produção do Ácido Acetil Salicílico (AAS) o / H 2SO 4 C 6 H 4( OH ) CO 2H ( CH 3CO ) 2O o C 6H 4( CH 3CO ) CO2H H 2O

7 COMPARAÇÃO PROCESSOS BIOQUÍMICOS X PROCESSOS QUÍMICOS PROCESSOS BIOQUÍMICOS: são também processos químicos, caracterizados pelo mecanismo das transformações produzidas por catalisadores biológicos (ENZIMAS) contidos nas células vivas (microrganismos). Exemplos: S P Processo Inorgânico - Oxidação de minérios sulfurosos por bactérias MeS x SO 4 2 4xH xh enzimas 2O Me 4 x Processo Orgânico - Fermentação alcoólica da sacarose C enzimas 6H 12O 6 C 2H 5OH 2 2 CO 2

8 CARACTERÍSTICAS DOS PROCESSOS BIOQUÍMICOS Normalmente empregam FASE AQUOSA como solvente Operam em condições brandas (fisiologicamente compatíveis) - as enzimas são biomoléculas que atuam em FAIXAS ESTREITAS de: temperatura pressão ph potencial redox força iônica pressão osmótica A energia gerada nas reações é a energia química proveniente da transformação da molécula do substrato (matéria prima, reagente). Não necessita normalmente de energia térmica ou radiante.

9 COMPARAÇÃO PROCESSOS BIOQUÍMICOS X PROCESSOS QUÍMICOS BIOQUÍMICOS Decorrentes de atividade microbiana Catalisadores de alta especificidade Condições Brandas: T, p, ph, redox Maiores volumes Requerem Esterilidade QUÍMICOS Decorrentes de reações químicas Catalisadores não específicos Condições Enérgicas: T, p, ph, redox Menores volumes NÃO Requerem Esterilidade

10 TIPOS DE PROCESSOS BIOQUÍMICOS PROCESSOS FERMENTATIVOS: são promovidos em sua totalidade por ação de células microbianas vivas. (fase heterogênea) S X P X = células microbianas (integras, vivas) PROCESSOS ENZIMÁTICOS: são promovidos por ação de enzimas extraídas das células microbianas. (fase homogênea) S E P E = enzimas (extrato celular)

11 PROCESSOS BIOQUÍMICOS - Fermentativos São os processos químicos conduzidos por meio de células microbianas. Conceito antigo (Pasteur séc XIX) - processos químicos através dos quais substâncias orgânicas dão origem a outras substâncias mais simples por meio do metabolismo celular. Conceito Atual - processos químicos conduzidos por microorganismos cujo produto pode ser: um excreta da célula um componente celular a própria célula

12 PROCESSOS DE BIOTRANSFORMAÇÃO Processos Desassimilativos degradação do substrato (molécula complexa) produzindo moléculas mais simples, para obter energia sob forma de ATP. É também chamado de catabolismo. Respiração Anaeróbica Incompleta (Ciclo Glicolítico), (32,6 Kcal/mol) S. cerevisae C 6H 12O 6 2CO 2 2C 2H 5OH E OXIDAÇÃO PARCIAL Respiração Aeróbica Completa (Ciclo de Krebs), (688 Kcal/mol) levedura C 6H 12O 6 6O 2 2CO 2 6H 2O E OXIDAÇÃO TOTAL

13 PROCESSOS DE BIOTRANSFORMAÇÃO Processos Assimilativos a partir de substratos simples são sintetizados produtos mais complexos, com gasto de energia armazenada na forma de ATP. É também chamado de anabolismo. Exs: Obtenção de antibióticos, enzimas, proteínas, hormônios Produção de Vitamina B12 (Streptomyces griseus) C 6 H 12 O 6 2 Co C 63 H 88 N 14 O 14 PCo Tempo de Produção: 3 a 5 dias Produtividade (g L -1 h -1 ): 2 x 10-5

14 PROCESSOS DE BIOTRANSFORMAÇÃO Ácido Cítrico (Aspergillus niger) Exemplos C12H 22O11 H 2O O2 2C 6H 8O 7 4H 2O Tempo de Produção: 72 h Produtividade (g L -1 h -1 ): 2,22 Ácido Láctico (Lactobacillus delbrueckii) OH CO H C 6H 12O 6 2CH 3CH 2 Tempo de Produção: 72 h Produtividade (g L -1 h -1 ): 1,06 Ácido Glucônico (Aspergillus niger) C 1 6H 12O 6 2O2 C 6H 12O 7 Tempo de Produção: 36 h Produtividade (g L -1 h -1 ): 5,20

15 PROCESSOS DE BIOTRANSFORMAÇÃO Exemplos Ácido Itacônico (Aspergillus terreus) C 6H 12O 6 C 5H 6O 4 CO2 3H 2 Tempo de Produção: 72 h Produtividade (g L -1 h -1 ): 0,28 Acetona-Butanol (Clostridium acetobutilicum) C 6H 12O 6 n C 4H 9OH ( 60%) ( CH 3) 2CO (30%) C 2H 5OH Etanol (Saccharomyces cerevisiae) (10%) Tempo de Produção: 40 h Produtividade (g L -1 h -1 ): 0,30 C 6H 12O 6 2CO 2 2C 2H 5OH Tempo de Produção: 12 h Produtividade (g L -1 h -1 ): 5,0

16 PRODUTOS VISADOS A própria célula Lêvedo Prensado Saccharomyces cerevisiae Microbiomassas de Algas (SCP*) Scenedesmus quadricauda Spirulina ssp. Microbiomassas de Leveduras (SCP*) : Torula utilis Candida ssp. Componente Celular não Excretado Pigmentos carotenóides (pró-vitamina A) leveduras do gênero Rhodotorula algas do gênero Chlorella. Um excreta celular Álcool etílico Saccharomyces cerevisiae Ácido Láctico Lactobacillus Lipídeos produzidos por certos gêneros de fungos no interior dos micélios. Estes produtos são obtidos por ruptura das células e extração destes.

17 PRODUTOS BIOTECNOLÓGICOS VOLUME X VALOR CATEGORIA VOLUME ELEVADO & BAIXO VALOR VOLUME ELEVADO & VALOR INTERMEDIÁRIO VOLUME BAIXO & VALOR ELEVADO ATIVIDADE Metano, etanol, biomassa para animais, depuração de águas, tratamento de resíduos/despejos. Aminoácidos, ác. orgânicos, gêneros alimentícios, lêvedo panificação, acetona, butanol, polímeros, metais (lixiviação e acumulação). Antibióticos, hormônios, vacinas e demais fármacos, enzimas, vitaminas.

18 Processo Bioquímico Há milhares de anos, o homem faz uso da microbiologia aplicada, mesmo sem ter consciência da existência dos microrganismos. A fabricação de pão, vinho, cerveja, leites fermentados, queijos, transcende de muito a era cristã. Há mais de meio século, a exploração econômica da fermentação restringia-se quase que unicamente à produção de bebidas alcoólicas e de álcool retificado. Hoje, abrange áreas mais amplas, sendo empregada na obtenção de alimentos fermentados, proteínas, vitaminas, ácidos orgânicos e antibióticos. Algumas substâncias que são produzidas através da fermentação, como solventes e etanol, hoje, pelo desenvolvimento das técnicas químicas, podem, eventualmente, ser preparadas de forma mais econômica por processos sintéticos. Para a produção de substâncias mais complexas como os antibióticos e as enzimas, é necessária a utilização da fermentação.

19 PROCESSOS BIOQUÍMICOS ETAPAS FUNDAMENTAIS UPSTREAM PROCESS Tratamento da matéria-prima PROCESS = PRODUÇÃO AGENTE CONVERSOR (catalisador biológico, microorganismo) MEIO DE REAÇÃO (solvente, nutrientes) REATOR (Biorreator) DOWNSTREAM PROCESS Separação / Purificação do Produto

20 FASES DE UM PROCESSOS BIOQUÍMICO PREPARO DO INÓCULO (agente microbiano) ESTERILIZAÇÃO DO AR BIORREATOR (Fermentador) controle de parâmetros de processo PREPARO DO MEIO (nutrientes, matéria prima, solvente) ESTERILIZAÇÃO DO MEIO RECUPERAÇÃO & PURIFICAÇÃO DO PRODUTO SUPRIMENTO DE AR (O 2 ) Sub-produtos Resíduos

21 FORMAS DE CULTIVO DOS AGENTES MICROBIANOS EMPREGADOS EM PROCESSOS INDUSTRIAIS Cultivo Puro - Todas as células são da mesma espécie (ocorre na maioria dos processos industriais). Ex.: Produção de antibióticos por cepas de actinomicetos. Cultivo Misto - Várias espécies de microrganismos atuam em conjunto. Ex.: Tratamento de resíduos e maceração de fibras.

22 FONTES DOS AGENTES MICROBIANOS EMPREGADOS EM PROCESSOS INDUSTRIAIS Isolamento a partir de recursos naturais compra em coleções de culturas obtenção de mutantes naturais obtenção de mutantes induzidos por métodos convencionais obtenção de microrganismos recombinantes por técnicas de engenharia genética

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24 CARACTERÍSTICAS DOS AGENTES MICROBIANOS EMPREGADOS EM PROCESSOS INDUSTRIAIS Ser de fácil cultivo - exigência nutritiva simples Não ser patogênico Não produzir subprodutos tóxicos, permitindo elevado acúmulo de substâncias no meio (efeito de inibição, custo de purificação, alta quantidade resíduos de processo) Não produzir substâncias incompatíveis com o produto (Ex.:proteínas x proteases) Constância no comportamento fisiológico Produtividade mais alta possível Elevada conversão de substrato em produto Não apresentar facilidade de mutação

25 FASES DE UM PROCESSOS BIOQUÍMICO PREPARO DO INÓCULO (agente microbiano) ESTERILIZAÇÃO DO AR BIORREATOR (Fermentador) controle de parâmetros de processo PREPARO DO MEIO (nutrientes, matéria prima, solvente) ESTERILIZAÇÃO DO MEIO RECUPERAÇÃO & PURIFICAÇÃO DO PRODUTO SUPRIMENTO DE AR (O 2 ) Sub-produtos Resíduos

26 CARACTERÍSTICAS DO MEIO DE FERMENTAÇÃO ser o mais barato possível (abundância, disponibilidade da matéria-prima) atender exigências nutricionais do microrganismo (agente transformação) auxiliar no controle do processo (efeito tamponante, evitar formação de espuma) estabilidade dos componentes durante armazenagem ter composição razoavelmente fixa não causar dificuldades na recuperação do produto ou no tratamento final do(s) resíduo(s) S P

27 NUTRIÇÃO DOS ORGANISMOS ANIMAIS quimiotróficos - obtém energia através de reações químicas heterotróficos - exigência de fontes orgânicas de carbono (fungos e bactérias) VEGETAIS fotossintéticos - obtém energia da luz solar autotróficos - exigência de substâncias inorgânicas (algas e algumas bactérias) litotróficas - utilizam compostos inorgânicos como aceptores de elétrons organotróficas - utilizam compostos orgânicos como aceptores de elétrons

28 COMPONENTES DO MEIO DE FERMENTAÇÃO MACRO-NUTRIENTES: C, N, O, H, S, P fontes de carbono: CO 2, CO 2-3 /HCO 3-, lipídeos, ácidos orgânicos, álcoois, açúcares, polissacarídeos (amido, celulose) fontes de nitrogênio: N 2 (fixação nitrogênio - algas e bactérias), sais inorgânicos - NH 4+ e NO 3_ (fungos, algas e bactérias), fontes orgânicas - aminoácidos ou hidrolisados proteicos (fungos e algumas bactérias) fontes de fósforo: PO 3-4 fontes de enxofre: SO 2-4

29 COMPONENTES DO MEIO DE FERMENTAÇÃO MICRO-NUTRIENTES potássio (K + ): ativador de enzimas, regulador pressão osmótica magnésio (Mg 2+ ): ativador de enzimas, fator de esporulação ferro (Fe 2+ ): síntese de citocromos e pigmentos Fatores de crescimento : vitaminas, ácidos graxos, alguns aminoácidos (compostos orgânicos essenciais = fornecimento indispensável) ÁGUA - papel na solubilização dos nutrientes, regulação pressão osmótica e térmica O 2 - receptor final de elétrons

30 TIPOS DE MEIOS DE FERMENTAÇÃO SINTÉTICOS Ex: NH 4 Cl 1,0 g K 2 HPO 4 1,0 g MgSO 4 0,2 g FeSO 4 0,2 g CaCl 2 0,02 g MnCl 2 0,002 g NaMoO 4 0,001 g dissolver em 1,0 L água COMPLEXOS Ex: extrato de carne, extrato de fígado (órgãos/vísceras animais) extrato de vegetais (soja, arroz), extrato de malte sangue, soro, peptona (hidrolisado de proteínas) extrato de levedura caldo-de-cana, melaço, farinha de trigo / milho / soja / cevada água de maceração de milho composição qualitativa e quantitativa bem definidas contém produtos cuja composição química não é bem definida

31 TIPOS DE MEIOS DE FERMENTAÇÃO SINTÉTICOS meios de alto custo COMPLEXOS menos onerosos composição variável (fabricante, lote, clima, safra, solo, variedade, colheita, processamento) necessitam instalações para ajuste da composição do meio a cada novo lote de matéria-prima. Problemas adicionais nas etapas de recuperação / purificação do produto final, ou no tratamento dos resíduos / efluentes.

32 Exemplos de matérias-primas e substratos Tabela 1 - Matérias-primas e Teores de Fermentáveis MATÉRIA-PRIMA SUBSTRATO Melaço ART*, Sacarose (60%) Mandioca Amido (50-70%) Madeira Celulose (40-45%) Tabela 2 - Classificação das Matérias-primas MATÉRIA-PRIMA FONTE EXEMPLO Sacaríneas Monossacarídeos Dissacarídeos Caldo de Cana (16% ART*) Amiláceas Amido Farinhas de Arroz, Mandioca e Milho Celulósicas Celulose Bagaço de Cana Raspas de Madeira (*) ART - Açúcares Redutores Totais

33 Matérias-primas convencionais Méis e Caldos Sacarose Frutose Madeiras, Sabugos, Cascas e Partes Aéreas Celulose Glicose Raízes e Tubérculos Amido Maltose

34 Degradação dos substratos pelos microrganismos Depende da diversidade enzimática dos microrganismos industriais Tabela 3 - Enzimas existentes nos microrganismos fermentadores SUBSTRATO ENZIMA PRODUTO MICRORGANISMOS Glicose Glicofosfoquinase G-6-P ( * ) Todos microrganismos Sacarose Invertase Glicose Saccharomices. cerevisiae Amido Amilases Glicose + Maltose Aspergillus. niger Celulose Celulases Glicose Fusarium solani Trichoderma reesei Clostridium thermocellum

35 Degradação dos substratos pelos microrganismos Enzimas não existentes nos microrganismos fermentadores SACARIFICAÇÃO Usando Enzimas Isoladas: Amilases Leveduras Amido Glicose Etanol Celulose Celulases Microrganismos Glicose Etanol

36 Degradação dos substratos pelos microrganismos Empregando Tratamento Químico: Sacarose Amido Celulose Hemicelulose H+ / / p Microrganismos Glicose Etanol, etc.

37 Classificação das matérias-primas Tabela 4 - Matérias-primas empregadas como substratos fermentáveis MATÉRIAS-PRIMAS Amiláceas Sacaríneas Celulósicas Protéicas EXEMPLOS Grãos, cereais, raízes, tubérculos, etc. Caldos, méis (melado e melaço), etc. Raspas de madeira, serragem, partes aéreas, etc. Milhocina, vísceras de animais, etc.

38 Matérias-primas sacaríneas Glicose + Frutose Sacarose Hidrólise Glicose Fermentaçã produto o

39 Matérias-primas amiláceas Polissacarídeo composto, formado por unidades glicosídicas. É a principal reserva energética das plantas verdes. O amido concentra-se principalmente nas raízes e grãos dos vegetais. O amido não é assimilável pelas bactérias e leveduras diretamente, que são os microrganismos responsáveis por alguns processos. A sacarificação é a hidrólise das ligações glicosídicas, transformando o amido em açucares, carboidratos de constituição e P.M. menores.

40 Matérias-primas amiláceas Sacarificação Fermentação Amido Açucares Produto Sacarificação: -Química -Biológica -Bioquímica/Enzimática

41 Matérias-primas amiláceas Sacarificação Química: Promovida por soluções aquosas de ácidos fortes como o ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) ou ácido clorídrico (HCl), a temperatura e pressão elevadas. Baixo rendimento na etapa de fermentação por inibição dos microrganismos Corrosão dos equipamentos Degradação dos açúcares formados. Amido H 2 O / H+ Glicose / p

42 Matérias-primas amiláceas Sacarificação Biológica: Empregam-se os microrganismos vivos como agentes da sacarificação enzimática. Industrialmente é o conhecido Processo Amilo, no qual inocula-se inicialmente no mosto, um bolor altamente sacarificante, como o Rhizopus delemar. Após a conversão do amido pelo bolor, este é eliminado por aquecimento a ebulição do mosto, e posteriormente inocula-se o agente da fermentação.

43 Matérias-primas amiláceas Sacarificação Bioquímica: Pool" de enzimas amilolíticas, onde cada uma possui uma forma específica de ação. As enzimas podem provir do malte, bactérias ou bolores, e de acordo com suas propriedades pode-se originar: Amido Enzimas / H 2 O Dextrinas Maltose Glicose

44 Matérias-primas amiláceas Sacarificação pelo Malte Grãos limpeza e classificação Maceração Água:grão 3:1; C Germinação Amido Pesagem/Moagem Hidratação Cozimento Malte verde Malte seco Goma de amido Agitação 65 C/1h Resfriamento 28 a 30 C

45 Matérias-primas celulósicas Fermentam após hidrólise, que extrai açúcares presentes na madeira, como a glicose presente na celulose: * química * enzimática * microbiológica Madeira e resíduos da fabricação da pasta de papel podem ser utilizados. Por causa da grande quantidade de resíduos de material celulósico disponível, a fermentação direta desses materiais pode ser de grande importância econômica.

46 Matérias-primas celulósicas A conversão da celulose é atualmente, uma das opções exploradas e investigadas em grande número de centros de pesquisa e instituições científicas. A dificuldade em se obter uma hidrólise completa da celulose não é devida às ligações da estrutura primária, -1,4, mas às estruturas secundárias e terciárias, respectivamente, ao estado cristalino e ao invólucro protetor de lignina

47 Matérias-primas celulósicas Hidrólise ácida Com H 2 SO 4 a C Acarreta danos ao equipamento Degrada os açúcares formados Proporciona um meio agressivo para a maioria dos agentes fermentativos. Hidrólise enzimática A hidrólise enzimática vem mostrando ser o melhor caminho para esta fase do processo, faltando apenas obter-se um pool enzimático eficiente.

48 Matérias-primas celulósicas Matéria Prima Lignocelulósica Pré-tratamento Deslignificação Celulose cristalina Lignina Hidrólise Ácida ou Enzimática Glicose Fermentação Outros Produtos Esquema para fermentação de lignocelulósicos para produção de etanol Álcool

49 Matérias-primas celulósicas No Brasil, torna-se interessante o aproveitamento do bagaço de cana-de-açúcar que, por exemplo, produz um excedente de 4,7 x 106 toneladas com 50% de umidade, correspondendo a uma grande massa de celulose e hemicelulose, ambos fermentáveis em condições apropriadas. Tabela 5 - Composição média do bagaço de cana-de-açúcar COMPONENTE TEOR (%) Celulose 40-45% Hemicelulose 20-30% Lignina 25-40%

50 FASES DE UM PROCESSOS BIOQUÍMICO PREPARO DO INÓCULO (agente microbiano) ESTERILIZAÇÃO DO AR BIORREATOR (Fermentador) controle de parâmetros de processo PREPARO DO MEIO (nutrientes, matéria prima, solvente) ESTERILIZAÇÃO DO MEIO RECUPERAÇÃO & PURIFICAÇÃO DO PRODUTO SUPRIMENTO DE AR (O 2 ) Sub-produtos Resíduos

51 Classificação dos Processos Bioquímicos QUANTO AO CATALISADOR células vivas enzimas QUANTO À DIVERSIDADE DO AGENTE MICROBIANO cultura pura cultura mista QUANTO AO DESENVOLVIMENTO DO AGENTE MICROBIANO em superfície em profundidade

52 Classificação dos Processos Bioquímicos Cultivo em Superfície

53 Classificação dos Processos Bioquímicos QUANTO À DISTRIBUIÇÃO DO AGENTE MICROBIANO Biocatalisador/Biomassa suspensa (livre, imobilizada ou confinada) Biocatalisador/Biomassa fixa (biofilmes) QUANTO À TENSÃO DE OXIGÊNIO NO BIORREATOR aeróbio (aeração natural ou forçada) anaeróbio (sem aeração)

54 Classificação dos Processos Bioquímicos QUANTO À CINÉTICA DO PROCESSO Crescimento Associado Crescimento Semi-Associado Crescimento Não-Associado QUANTO À FORMA DE CONDUÇÃO DO PROCESSO Batelada (Descontínuo) Batelada Alimentada (Descontínuo) Contínuo

55 O Oxigênio e a respiração celular As resistências da transferência de oxigênio para as células se dá de acordo com o esquema abaixo:

56 Classificação dos Processos Bioquímicos

57 Equipamentos Propagadores: São utilizados para obtenção de células. São pequenas dornas, podendo ter aeração e agitação. Em pequena escala, os propagadores podem ser frascos Erlenmeyer, colocados em agitadores orbitais, onde haverá, obrigatoriamente, o controle de temperatura.

58 Equipamentos Fermentadores: São dornas grandes (escala industrial) com a finalidade de obtenção do produto. Deve possuir aparatos que permitam dar condições adequadas de crescimento ao microrganismo e monitorar a formação do produto como, por exemplo, sistema de agitação, aeração (processo aeróbico), registrador de temperatura e ph, serpentina, um local apropriado para a adição do inóculo, entre outros.

59 Equipamentos Fermentadores

60 Classificação dos Fermentadores Quanto à natureza do meio de fermentação De fermentação submersa meio líquido De fermentação superficial meio sólido Quanto ao fechamento do reator Aberto Fechado

61 Classificação dos Fermentadores Quanto ao material de construção Madeira Alvenaria Aço carbono Aço inoxidável Aço carbono revestido aço inox, borracha, esmalte, plástico, resinas Plásticos e resinas

62 Classificação dos Fermentadores QUANTO À CONFIGURAÇÃO DO BIORREATOR Altura / Diâmetro 3 reator tipo TANQUE Altura / Diâmetro 3 reator tipo COLUNA Reator de mistura completa Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) Reator de fluxo pistão Plug-Flow Reactor (PFR)

63 Classificação dos Fermentadores Reator tipo Tanque Exemplo: Tanque de L: produção de penicilina

64 Classificação dos Fermentadores Reator tipo Coluna Exemplo: Torre de fermentação para produção contínua de cerveja

65 Classificação dos Fermentadores Reator de mistura completa A B C0 A C0 B [ ] A + B C CA CB CC volume

66 Classificação dos Fermentadores Reator de fluxo pistão A + B C A B C [ ] x x

67 Classificação dos Fermentadores QUANTO À FORMA DE AGITAÇÃO DO LÍQUIDO NO BIORREATOR Reator mecanicamente agitado Reator hidraulicamente agitado Reator pneumaticamente agitado

68 Classificação dos Fermentadores Reator Mecanicamente Agitado

69 Classificação dos Fermentadores Reator Pneumaticamente Agitado

70 Classificação dos Fermentadores Reator Hidraulicamente Agitado

71 Sistema de Agitação Homogeneização (transferência de massa, transferência de calor) suspensão de sólidos dispersão de misturas líquidolíquido Gaseificação/aeração do líquido tensão de cisalhamento (celular)

72 Esquema da Agitação de Reatores: esquemas da agitação no meio

73 Sistema de Agitação

74 TÉCNICAS PARA O AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO DO BIOCATALISADOR NO REATOR. RETENÇÃO NO SISTEMA PARA USO/REUSO CONTÍNUO Separação do biocatalisador na saída do reator, por sedimentação, filtração, flotação, centrifugação e posterior reciclo da biomassa.

75 TÉCNICAS PARA O AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO DO BIOCATALISADOR NO REATOR. RETENÇÃO NO SISTEMA PARA USO/REUSO CONTÍNUO Fixação do catalisador em suportes (imobilização) por encapsulamento/aprisionamento em matriz polimérica, adsorção em superfícies ou colonização de materiais porosos. MÉTODOS DE IMOBILIZAÇÃO Imobilização Ativa Imobilização Passiva ligação covalente encapsulamento adsorção colonização

76 TÉCNICAS PARA O AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO DO BIOCATALISADOR NO REATOR.

77 TÉCNICAS PARA O AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO DO BIOCATALISADOR NO REATOR. RETENÇÃO NO SISTEMA PARA USO/REUSO CONTÍNUO Retenção do biocatalisador no reator por microou ultra-filtração em membranas (placas porosas ou fibras ocas).

78 TÉCNICAS PARA O AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO DO BIOCATALISADOR NO REATOR.

79 Formas de condução de um processo fermentativo Cultivo Descontínuo O mosto é colocado na dorna, esterilizado e posteriormente recebe o inóculo requerido. Após a fermentação, efetuada em tempo adequado, o processo é interrompido e o produto, subproduto e resíduos são separados. A cada nova fermentação é necessário que todas as etapas sejam repetidas.

80 Formas de condução de um processo fermentativo Cultivo Descontínuo Este processo pode ser conduzido de três formas diversas: Com Inóculo para cada Dorna Com Cortes Com Recuperação de Inóculo

81 Formas de condução de um processo fermentativo Cultivo Descontínuo

82 Formas de condução de um processo fermentativo Processo Descontínuo com Cortes Neste tipo de processo, uma dorna é inoculada e o material em fermentação nesta dorna, após determinado tempo de propagação, é empregado parcialmente para se dar partida em uma segunda dorna. Finalmente as duas dornas têm seus volumes operacionais recompletados. Etapa 01 Fermentação Etapa 02 Corte Etapa 03 Nova Fermentação

83 Formas de condução de um processo fermentativo Processo Descontínuo com Cortes o número de cortes não pode ser ilimitado, e este número é limitado pelo controle do rendimento das fermentações sucessivas. fatores que desencadeiam a necessidade de nova inoculação são: Rendimento Degenerescência do Agente Qualidade do Produto Economia nos Custos de Preparo Rend. (%) n o de cortes

84 Formas de condução de um processo fermentativo Processo Descontínuo com Recuperação de Inóculo O meio completamente fermentado é centrifugado, de forma a obter-se um concentrado de suspensão de microrganismos. A suspensão é submetida a tratamento visando a eliminação de células inativas e microrganismos contaminantes. A suspensão tratada é então reciclada para a dorna de fermentação. As células recuperadas não são indefinidamente utilizadas, pois sofrem degenerescência e contaminação após vários reciclos.

85 Formas de condução de um processo fermentativo Processo Descontínuo com Recuperação de Inóculo Reciclo das Leveduras Centrifugação Vinho Tratamento Químico

86 Formas de condução de um processo fermentativo Processo Semicontínuo Neste processo a dorna é carregada com o mosto, adiciona-se o inóculo, procedendo-se a fermentação. Ao término da fermentação, retira-se uma parte do vinho, adicionando-se a seguir igual volume de mosto novo, repetindo-se o processo. Este procedimento é possível de se repetir durante meses consecutivos, antes que o rendimento diminua a ponto de necessitar a interrupção, reiniciando-se o processo de fermentação com inóculo recém preparado.

87 Formas de condução de um processo fermentativo Processo Contínuo O substrato é adicionado continuamente de modo que a sua concentração fique constante. Ao mesmo tempo, retira-se o mosto fermentado. Mosto Vinho

88 Formas de condução de um processo fermentativo Processo Contínuo Mosto Vinho

89 Formas de condução de um processo fermentativo Processo Contínuo Mosto Vinho Mosto Vinho

90 Formas de condução de um processo fermentativo Processo Descontínuo Alimentado É um processo descontínuo, semelhante ao de batelada, só que com o passar do tempo coloca-se o substrato em pequenas proporções

91 Controle de processo Monitoramento de parâmetros físicos, químicos e biológicos Parâmetros físicos Tempo Temperatura Atividade de água Pressão Vazão de líquidos Vazão de gases Velocidade de agitação

92 Controle de processo Parâmetros químicos ph e acidez Sólidos solúveis ( Brix) O 2 dissolvido O 2 na fase gasosa CO 2 na fase gasosa Parâmetros biológicos Medidas de crescimento biomassa Medida de contaminação

93 FASES DE UM PROCESSOS BIOQUÍMICO PREPARO DO INÓCULO (agente microbiano) ESTERILIZAÇÃO DO AR BIORREATOR (Fermentador) controle de parâmetros de processo PREPARO DO MEIO (nutrientes, matéria prima, solvente) ESTERILIZAÇÃO DO MEIO RECUPERAÇÃO & PURIFICAÇÃO DO PRODUTO SUPRIMENTO DE AR (O 2 ) Sub-produtos Resíduos

94 Recuperação de Produtos Recuperação separação, purificação e concentração Localização dos produtos de fermentação Intracelular ácidos nucleicos, vitaminas, enzimas, antibióticos; Extracelular AA, ácidos orgânicos, álcoois, enzimas, antibióticos; Intra e extracelular antibióticos e vitaminas

95 Recuperação de Produtos

96 Recuperação de Produtos Operações unitárias usadas na recuperação de produtos Floculação flotação e sedimentação Filtração profunda ou convencional separação de micélios de fungos e de actinomicetos; Filtração absoluta em membrana ou tangencial Microfiltração 0,1-10 m bactérias e leveduras Ultrafiltração 0,001-0,1 m PM > 1000 macromolécula Osmose reversa 0,0001 0,001 m PM < 1000 solutos

97 Recuperação de Produtos Operações unitárias usadas na recuperação de produtos Centrifugação Sistema líquido / sólido separação de células Sistema líquido / líquido separação de solvente Extração solventes alguns antibióticos Destilação ponto de ebulição etanol Cristalização Desidratação Uso do calor produto sem vida levedura seca Liofilização produto vivo inóculos

98 Referências Vol. 1: cap. 1 (p.13 a 18 e 20 a 26) Vol. 3: cap. 1 item 1.3 Notas de aula

99 Leitura complementar Artigo sobre biotecnologia, disponível no grupo

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