Coleção UAB UFSCar. Tecnologia das fermentações. fundamentos de bioprocessos. Tecnologia Sucroalcooleira. Reinaldo Gaspar Bastos

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1 Coleção UAB UFSCar Tecnologia Sucroalcooleira Reinaldo Gaspar Bastos Tecnologia das fermentações fundamentos de bioprocessos

2 Tecnologia das fermentações fundamentos de bioprocessos

3 Reitor Targino de Araújo Filho Vice-Reitor Pedro Manoel Galetti Junior Pró-Reitora de Graduação Emília Freitas de Lima Secretária de Educação a Distância - SEaD Aline Maria de Medeiros Rodrigues Reali Coordenação UAB-UFSCar Claudia Raimundo Reyes Daniel Mill Denise Abreu-e-Lima Joice Otsuka Sandra Abib Valéria Sperduti Lima Coordenador do Curso de Tecnologia Sucroalcooleira Miguel Antonio Bueno da Costa Conselho Editorial José Eduardo dos Santos José Renato Coury Nivaldo Nale Paulo Reali Nunes Oswaldo Mário Serra Truzzi (Presidente) Secretária Executiva Fernanda do Nascimento UAB-UFSCar Universidade Federal de São Carlos Rodovia Washington Luís, km São Carlos, SP, Brasil Telefax (16) uab@ufscar.br EdUFSCar Universidade Federal de São Carlos Rodovia Washington Luís, km São Carlos, SP, Brasil Telefax (16) edufscar@ufscar.br

4 Reinaldo Gaspar Bastos Tecnologia das fermentações fundamentos de bioprocessos 2010

5 2010, Reinaldo Gaspar Bastos Concepção Pedagógica Daniel Mill Supervisão Douglas Henrique Perez Pino Equipe de Revisão Linguística Ana Luiza Menezes Baldin Clarissa Neves Conti Francimeire Leme Coelho Jorge Ialanji Filholini Letícia Moreira Clares Luciana Rugoni Sousa Paula Sayuri Yanagiwara Sara Naime Vidal Vital Equipe de Editoração Eletrônica Christhiano Henrique Menezes de Ávila Peres Izis Cavalcanti Rodrigo Rosalis da Silva Equipe de Ilustração Jorge Luís Alves de Oliveira Lígia Borba Cerqueira de Oliveira Priscila Martins de Alexandre Capa e Projeto Gráfico Luís Gustavo Sousa Sguissardi Ficha catalográfica elaborada pelo DePT da Biblioteca Comunitária da UFSCar B327t Bastos, Reinaldo Gaspar. Tecnologia das fermentações : fundamentos de bioprocessos / Reinaldo Gaspar Bastos. -- São Carlos : EdUFSCar, p. -- (Coleção UAB-UFSCar). ISBN Biotecnologia. 2. Bioprocessos. 3. Fermentação. 4. Microbiologia industrial. 5. Enzimologia. I. Título. CDD (20 a ) CDU 66:577.1 Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta obra pode ser reproduzida ou transmitida por qualquer forma e/ou quaisquer meios (eletrônicos ou mecânicos, incluindo fotocópia e gravação) ou arquivada em qualquer sistema de banco de dados sem permissão escrita do titular do direito autoral.

6 Sumário APRESENTAÇÃO UNIDADE 1: Introdução 1.1 Biomassa microbiana Enzimas microbianas Metabólitos microbianos Produtos recombinantes Biotransformação Microrganismos de interesse industrial Referências UNIDADE 2: Metabolismo microbiano e biomoléculas envolvidas 2.1 Enzimas Metabolismo microbiano Glicólise e Ciclo TCA Respiração Metabolismo anaeróbio Referências

7 UNIDADE 3: Cinética enzimática 3.1 Cinética de Michaelis-Menten Determinação dos parâmetros cinéticos Inibição enzimática Inibição enzimática irreversível Inibição enzimática reversível Inibição enzimática reversível competitiva Inibição enzimática reversível não competitiva Inibição enzimática reversível incompetitiva Inibição enzimática reversível pelo substrato Efeito da temperatura na atividade enzimática Efeito do ph na atividade enzimática Referências UNIDADE 4: Balanços elementares em processos biotecnológicos 4.1 Balanços materiais Os bioprocessos podem ser conduzidos em: Estequiometria dos processos microbiológicos Grau de redução dos substratos Referências

8 UNIDADE 5: Cinética dos processos biotecnológicos 5.1 Parâmetros cinéticos Fases de crescimento celular Cinética de Monod Modelos de crescimento celular Influência de parâmetros físico-químicos no crescimento celular Referências UNIDADE 6: Operações unitárias dos processos fermentativos 6.1 Esterilização Agitação e mistura Transferência de oxigênio Agitação mecânica sem aeração Referências UNIDADE 7: Biorreatores 7.1 Biorreatores de mistura Biorreatores de mistura contínuos

9 7.3 Biorreatores tubulares Configurações de biorreatores Aumento de escala de biorreatores Método da constância da potência por unidade de volume de meio Método da constância do coeficiente global de transferência de oxigênio Método da constância da velocidade na extremidade do impelidor Método da constância do tempo de mistura Método da constância do Número de Reynolds Escolha do critério de scale-up Referências UNIDADE 8: Purificação de biomoléculas 8.1 Rompimento celular Filtração e centrifugação Purificação baseada na solubilidade Extração em sistemas de duas fases aquosas Cromatografia Tratamentos finais Referências

10 Apresentação O principal objetivo deste livro é apresentar os princípios da engenharia de bioprocessos e da biotecnologia industrial, de forma prática, acessível e condensada. Apesar da ocorrência de excelentes referências sobre bioprocessos em inglês, são escassas as bibliografias em português que abordem esse tema. Sendo assim, esta revisão tem a proposta de atenuar esse problema encontrado em cursos que abordem as áreas de bioquímica industrial. De maneira didática procurou-se classificar esse amplo assunto em oito Unidades. No início são apresentados os conceitos fundamentais, com a definição dos termos que serão usados amplamente durante a leitura do texto. A seguir, procurou-se apresentar os principais modelos metabólicos utilizados por microrganismos de interesse industrial. É importante salientar que o leitor interessado em aprofundar os conhecimentos em metabolismo celular e bioenergética, por exemplo, deve procurar as referências listadas no final de cada Unidade. Na sequência do texto analisamos os processos enzimáticos e microbiológicos por meio da estequiometria e balanços elementares. Um ponto fundamental no estudo dos bioprocessos é a cinética das reações, abordada com a definição dos parâmetros mais importantes e exemplo de casos. Por fim, comentamos sobre as principais operações unitárias utilizadas nos bioprocessos, incluindo os princípios da purificação de biomoléculas. O autor espera que o texto seja o primeiro passo, ou seja, um agradável impulso inicial para que o leitor se interesse pelo assunto devido à facilidade de leitura e procure aprimorar seus estudos nesta área. Prof. Dr. Reinaldo Gaspar Bastos DTAiSER/CCA/UFSCar 9