ENGENHARIA BIOQUÍMICA. Prof. Dr. João Batista de Almeida e Silva

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1 ENGENHARIA BIOQUÍMICA Prof. Dr. João Batista de Almeida e Silva joaobatista@debiq.eel.usp.br joaobatista@pq.cnpq.br

2 INTRODUÇÃO O QUE É ENGENHARIA BIOQUÍMICA? Engenharia Bioquímica é aplicação dos conhecimentos da Engenharia Química na solução de problemas que se apresentam na implantação de processos biotecnológicos em larga escala e em sua otimização; Processos onde ocorre a transformação de matérias-primas em produtos através da ação de material de origem ou caráter biológico: células (microbianas, animais ou vegetais) ou enzimas;

3 INTRODUÇÃO INTERDICIPLINARIDADE: - O uso desta área de conhecimento atuando em conjunto com diferentes profissionais, como é o caso dos geneticistas, biologistas moleculares, microbiologistas, bioquímicos e engenheiros agrônomos e engenheiros bioquímicos, permitem aplicar a Engenharia Bioquímica

4 INTRODUÇÃO INTERDICIPLINARIDADE: A Engenharia Bioquímica se encontra em nosso cotidiano, e nem damos atenção a isso, vejamos abaixo alguns exemplos. CONHECIMENTO: Microbiologia, Bioquímica, Genética, Engenharia, Química, Informática; BENS: Alimentos, Bebidas, Produtos Químicos, Energia, Produtos Farmacêuticos, Pesticidas, etc; AGENTES BIOLÓGICOS: Microrganismos, Células e Moléculas (Enzimas, Anticorpos, DNA, etc.); SERVIÇOS: Purificação da água, Tratamentos de resíduos, Controle de poluição, etc.

5 INTRODUÇÃO Estes conhecimentos permitem atuar nos: Projeto de biorreatores; Estudos de cinética de processos bioquímicos; Modelagem e simulação; Purificação de produtos biológicos; Transferência de oxigênio e ampliação de escala; Análise econômica; Instrumentação e controle

6 APLICAÇÃO Agricultura: adubo, pesticidas, silagem, mudas de plantas, ou de arvores, plantas transgênicas; Alimentação: pães, queijos, picles, cervejas, vinho, proteína unicelulares; Indústria química: butanol, acetona, glicerol, ácidos, enzimas, metais; Eletrônica: biossensores;

7 APLICAÇÃO Energia: bioetanol, biogás; Meio ambiente: recuperação de petróleo, tratamento de lixo, purificação de água, Pecuária: embriões, animais transgênicos; Saúde: antibióticos, hormônios, produtos farmacêuticos, vacinas, reagentes e testes para diagnósticos

8 FATOS IMPORTANTES: 8000 A.C.: vinhos, cervejas e vinagres; 4000 A.C.: surgem os laticínios; 500 A.C: processo de salga e picles;

9 Monges: Utilização do lúpulo IDADE MÉDIA AÇÃO ANTIBACTERIANA

10 FATOS IMPORTANTES: 1861 D.C: Pauster desenvolve a pasteurização; 1876 D.C: Pauster identifica o fermento; 1990 D.C: enzima para fabricação de queijo (primeiro produto modificado EUA);

11 EVOLUÇÃO Final da segunda guerra devido a quantidade de feridos, existe a necessidade do desenvolvimento de novas técnicas para obtenção de probióticos e em grande escala; As técnicas usadas até aquele momento, com o cultivo de fungos em superfície não supria a demanda; O conhecimento da Engenharia de Processos oriundo dos processos químicos tradicionais é utilizada para aumentar a produção de antibióticos;

12 EVOLUÇÃO A produção de penicilina em larga escala revoluciona o processo descoberto por Alexander Fleming em 1928; A humanidade passa então a beneficiar-se de produtos com propriedades organolépticas mais requintados, obtidos pela ação de microrganismos, dentre eles o queijo, pão, iogurte, cerveja, vinhos e destilados;

13 EVOLUÇÃO Antes do inicio da segunda guerra os processos fermentativos não dispertavam interesse porque os produtos não alimentícios, como os solventes e ácidos orgânicos já eram produzidos por processos químicos; A colaboração de profissionais da área de engenharia e da área biológica permitiu o desenvolvimento de novas técnicas de obtenção de novos produtos usando a ação de microrganismos;

14 EVOLUÇÃO Inicialmente, os cultivos foram realizados em frascos em plataformas giratórias, mas existia a limitação na transferência de oxigênio; O uso de frascos agitados e aerados usados como fermentadores em 1947, foi o primeiro biorreator utilizando os conhecimentos da Engenharia Química, Biologia e Bioquímica, produzido pela americana New Brunswick; Ainda em 1947 a Merck é premiada por produzir o antibióticos estreptomicina surgindo então oficialmente o termo Engenharia Bioquímica;

15 EVOLUÇÃO Novos produtos passaram a ser produzidos por processos bioquímicos; Considerando aspectos como ampliação de escalas, preparação de meio de cultura (Bioquímica, Microbiologia e Engenharia); Conclui-se que a Engenharia Bioquímica aplicação dos conhecimentos acima, para o processamento de materiais, através de agentes biológicos para gerar bens e assegurar serviços através do desenvolvimento e operação de instalações ou instrumento que permite a utilização de organismos vivos para produção biotecnológica

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17 EVOLUÇÃO PRODUTOS OBTIDOS A PARTIR DESTE PROCESSOS BIOQUÍMICOS: - enzimas (utilizadas amplamente nas indústrias têxtil e de alimentos); ácidos orgânicos (com aplicações diversas na indústria química); antibióticos, vacinas e hormônios (utilizados na área de saúde humana e animal); anticorpos (utilizados em kits de diagnóstico); fermento (para uso caseiro e na indústria alimentícia); Aminoácidos (agricultura, alimentação).

18 EVOLUÇÃO PRODUTOS OBTIDOS A PARTIR DESTE PROCESSOS BIOQUÍMICOS: Etanol Combustíveis; Etanol produzido por fermentação do caldo de cana ou hidrolisados amiláceos

19 EVOLUÇÃO BEBIDAS OBTIDAS A PARTIR DE PROCESSOS BIOQUÍMICOS: Etanol em Bebidas Bebidas Fermentadas: Caxiri; Cervejas; Vinhos; Fermentados de frutas; Sidras;

20 EVOLUÇÃO BEBIDAS OBTIDAS A PARTIR DE PROCESSOS BIOQUÍMICOS: Bebidas Destiladas: Aguardentes; Cognac; Destilados de vinhos; Graspa; Pisco; Rum; Tequila; Tiquira; Uísque.

21 EVOLUÇÃO BEBIDAS OBTIDAS A PARTIR DE PROCESSOS BIOQUÍMICOS: Bebidas Retificadas: Vodka; Gin Bebidas Obtidas por Misturas Licores; Sangria; Cooler;

22 FONTE: BEBIDAS 1. CERVEJA. DRAGONE, G., ALMEIDA e SILVA, J.B. Capítulo 2. p , PRODUÇÃO DE CERVEJA PELO PROCESSO CONTÍNUO. DRAGONE, G., BRÁNYIK, T., TEIXEIRA, J.A., ALMEIDA e SILVA, J.B. Capítulo 3. p.51-67, CERVEJA SEM ÁLCOOL. SILVA, D.P., BRÁNYIK, T., TEIXEIRA, J.A., ALMEIDA e SILVA, J.B. Capítulo 4. p.69-84, UÍSQUE. DRAGONE, G., FLOREZ, M.D.G., GARCIA, M.A.V., ALMEIDA e SILVA, J.B. Capítulo 20. p , 2010

23 EVOLUÇÃO PROCESSOS BIOQUÍMICOS: -Passa-se se então a estudar a utilização de células vegetais e animais com objetivo de obter produtos de estruturas mais complexas e maior valor agregado; -Melhoria significativa na produtividade e no rendimento dos processos em função de projetos com novas configurações dos biorreatores, meios de cultura e cepas mais produtivas; -A este progresso duas novas áreas do conhecimento foram extremamente importantes: Informática e Biologia Molecular

24 EVOLUÇÃO PROCESSOS BIOQUÍMICOS: - O uso de computadores permitiram o uso de modelos matemáticos para o estudo cinético dos processos; - A tecnologia de DNA recombinante permitiram modificar a capacidade dos m.o; - Surge também as técnicas de Down-Stream que permitiram conhecimentos de operações unitárias mais requintados facilitando a obtenção de produtos mais puros e com alto valor agregado, como os hormônios, vacinas, reagentes, produtos obtidos pela química fina para uso alimentícios e farmacêuticos.

25 EVOLUÇÃO PROCESSOS BIOQUÍMICOS: - Muitos desafios e potenciais de aplicação ainda existem: - Obtenção de produtos com valor agregados; - Tratamentos biológicos de efluentes; - Obtenção de produtos com custos mais competitivos; - Substituição de processos e produtos agressivos ao meio ambiente; - Desenvolvimento de processos e equipamentos mais produtivos; - Uso de matérias-primas alternativas; - Tratamento biológicos de efluentes; - Tecnologia mais limpa; - Inovação.

26 INOVAÇÃO Produtividade: : proporcionará a redução de custos é o grande motivador da busca de maior produtividade, tanto no nível da operação quanto no nível tecnológico; Qualidade: : a melhoria continua da qualidade é a chave para o sucesso industrial, pois é melhorando a qualidade que se consegue diminuir os custos e aumentar a produtividade; Tecnologia: : a importância do desenvolvimento tecnológico leva a obtenção de vantagem competitiva.

27 INOVAÇÃO Adotar estratégias e tecnologia para gerar lucros; Gerar conhecimento, globalização e competição para manter-se no mercado diante da competitividade das empresas; A globalização fez com que os países permitissem a abertura da economia e muita empresas aproveitaram disto; A elaboração de estratégia competitiva ganha maior relevância em decorrência do acirramento da concorrência.

28 EXEMPLOS DE INOVAÇÃO Fusão da Companhia Antarctica Paulista e a Companhia Cervejaria Brahma, Hoje a empresa Companhia de Bebidas das Américas, possuí mais de 70% de participação no mercado nacional de bebidas; Continuam adotando as estratégias participação no mercado de bebidas; para manter sua Fusões com a belga Interbrew e com a americana Anheuser- Busch, produzindo 25% de toda a cerveja produzida no mundo.

29 INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS Para o sucesso da inovação, muitas pesquisas tem que ser conduzidas: Pesquisa básica: trabalho criativo realizado para ampliar o conhecimento científico. Este esforço não é direcionado a um objetivo específico ou prático; Pesquisa aplicada: pesquisa original dirigida a um alvo prático ou objetivo prédeterminado. Pode representar a articulação da pesquisa básica com sua forma prática; Desenvolvimento experimental: representa o uso do conhecimento científico para produzir novos produtos ou materiais, dispositivos, processos, sistemas ou serviços melhorados substancialmente.

30 INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), apresenta os seguintes conceitos para o processo de inovação: Inovação tecnológica como a fase de implementação de produtos (bens ou serviços) ou processos tecnologicamente novos ou substancialmente aprimorados; Implementação da inovação é fase em que o produto é introduzido no mercado ou quando o processo passa a ser operado pela empresa; Produto tecnologicamente novo é aquele cujas características fundamentais diferem significativamente de todos os produtos previamente produzidos pela empresa.

31 INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS Etanol de primeira geração: produzido a partir de caldo de cana (leveduras selecionadas, alteraçao da relação bagaço/caldo; Etanol de segunda geração: produzido a partir de materiais lignocelulósicos; Etanol de terceira geração: produzido a partir de hidrolisado de macroalgas marinhas;

32 INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS Vodka gaseificada; Cervejas aromatizadas (abacaxi, compota de frutas e manjericão, pêssegos, limão, chocolate, rosas); Cerveja produzidas como os vinhos, que trazem no rótulo a safra, e envasadas em garrafas com rolhas que podem ser guardadas em adegas por muitos anos; Cervejas com adjuntos não convencionais (arroz preto, banana, pupunha, pinhão, melaço de cana);

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34 ENGENHARIA BIOQUÍMICA INTRODUÇÃO À ENGENHARIA BIOQUÍMICA Volume 1. ELEMENTOS DE MICROBIOLOGIA 1.1 Introdução à Microbiologia 1.2 Morfologia e estrutura 1.3 Nutrição microbiana 1.4 Meios de cultura 1.5 Crescimento microbiano 1.6 Controle dos micro-organismos organismos pela ação de agentes físicos 1.7 Controle pela ação de agentes químicos CINÉTICA DE REAÇÕES ENZIMÁTICAS 7.1 Introdução 7.2 Medidas de velocidade 7.3 Influencia das concentrações de enzima e de substrato Lei de Michaelis e Menten 7.4 Influencia de um inibidor 7.5 Influência da Temperatura 7.6 Influencia do ph 7.7 Comentários finais

35 ENGENHARIA BIOQUÍMICA INTRODUÇÃO À ENGENHARIA BIOQUÍMICA Volume ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS DE FERMENTAÇÃO POR AQUECIMENTO COM VAPOR 4.1. Introdução 4.2. Descrição sumária dos processos de esterilização por calor úmido 4.3. Cinética da destruição térmica de microrganismos 4.4. Destruição de nutrientes do meio como consequência da esterilização 4.5. Considerações gerais a respeito do cálculo do tempo de esterilização 4.6. Cálculo do tempo de esterilização por processo descontínuo 4.7. Cálculo do tempo de esterilização por processo contínuo

36 ENGENHARIA BIOQUÍMICA 6 - CINÉTICA DE PROCESSOS FERMENTATIVOS 6.1. Introdução 6.2. Parâmetros de transformação 6.3. Cálculo das velocidades 6.4. A curva de crescimento microbiano 6.5. Classificação dos processos fermentativos 6.6. Influência da concentração do substrato sobre a velocidade específica de crescimento 9 - FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA 9.1. Introdução 9.2. Inóculo 9.3. Mosto 9.4. Classificação 9.5. Número de dornas 10 - FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA ALIMENTADA Introdução Aplicações Classificação Modelos matemáticos

37 ENGENHARIA BIOQUÍMICA 11 - FERMENTAÇÃO SEMICONTÍNUA Definição Produtividade do processo semicontínuo Comentários finais 12 - FERMENTAÇÃO CONTÍNUA Conceitos básicos Vantagens e desvantagens do processo contínuo em relação ao descontínuo Formas de operação no sistema contínuo Formação de produtos no sistema contínuo