CLASSIFICAÇÃO DOS ORGANISMOS CELULARES

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1 ORGANISMOS CELULARES EUCARIÓTICOS PROCARIÓTICOS Monera ou bacterias UNICELULAR Protista ou protozoa e algas unicelulares MULTICELULAR FOTOSSINTÉTICOS Plantae ou plantas ABSORTIVOS Fungi ou fungos INGESTIVOS Animalia ou animais CLASSIFICAÇÃO DOS ORGANISMOS CELULARES

2 FOTOSSINTÉTICOS captam a luz para converter CO2 e H20 em O2 e açúcares 6H2O + 6CO2 6O2 +C6H12O6

3 ABSORTIVOS ABSORTIVOS: captam nutrientes químicos dissolvidos em solução aquosa (fungos e leveduras)

4 INGESTIVOS INGESTIVOS: captam partículas não dissolvidas (animais)

5 ESQUEMA GERAL DE UM PROCESSO FERMENTATIVO microrganismo Matérias-primas Meio de cultura Esterilização Inóculo Laboratório Células Separação das células Biorreator Inóculo Industrial Industrial Caldo fermentado Ar Compressor Recuperação Produto Esterilização do Ar Produto Tratamento efluentes

6 Crescimento Microbiano Aumento em tamanho da população Aumento no número de células Aumento da massa celular Duplicação Fissão binária Tempo de geração Curva do crescimento microbiano 6

7 Crescimento Microbiano Fonte de carbono Energia Aceptor de elétrons Doador de elétrons H2O 7

8 Crescimento Microbiano Nutrientes orgânicos: aminoácidos, vitaminas, purinas e pirimidinas Nutrientes inorgânicos: macro e micro Condições ambientais: ph, temperatura, potencial hídrico, condutividade, pressão, potencial redox, superfície para crescimento 8

9 Grupos nutricionais Fotoautotróficos: luz é energia para sintetizar ATP, e CO 2 é fonte de C para sintetizar compostos orgânicos (bactérias fotossintéticas, cianobactérias, algas, etc.) Fotoheterotróficos: luz é energia para sintetizar ATP, mas o C é obtido em formas orgânicas mais complexas 9

10 Grupos nutricionais Quimioautotróficos: energia obtida pela oxidação de compostos inorgânicos como H2S, NH3, e Fe2+, e CO2 como fonte de C (bactérias que oxidam S, bactérias nitrificadoras, bactérias que oxidam H 2, bactérias que oxidam Fe) Quimioheterotróficos: energia e C obtidos de moléculas orgânicas complexas 10

11 Fatores que afetam o crescimento Fatores químicos: ph: neutrófilos ph 7.0 acidófilos ph < 7.0 alcalófilos ph > 7.0 Importância: Atividade enzimática Conformação protéica Disponibilidade de metais e elementos orgânicos 11

12 Fatores que afetam o crescimento Fatores químicos: O2: Aeróbicos obrigatórios Anaeróbicos obrigatórios Anaeróbicos facultativos Microaerófilos Aerotolerantes Importância: Respiração Reações de óxido-redução Atividade enzimática 12

13 aeróbios obrigatórios anaeróbios obrigatórios anaeróbios facultativos microaerófilos anaeróbios aerotolerantes 13

14 Fatores que afetam o crescimento Fatores químicos: Capacidade de troca de íons: Importância: Disponibilidade de nutrientes Ligações substrato-microrganismo Defesa Atração de íons 14

15 Fatores que afetam o crescimento Fatores físicos: Temperatura: Psicrófilos: - 5 C a 20 C Mesófilos: 20 C a 50 C Termófilos: 50 C a 80 C Termófilos extremos: acima de 80 C Importância: Respostas enzimáticas Respostas a choques térmicos Razão de crescimento 15

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17 Fontes de Microrganismos Os microrganismos de Interesse Industrial pode ser obtidos: Isolamento de recursos naturais: (solo, água, plantas, etc); Compra em coleções de cultura: (Agricultural Research Service Culture Collection (EUA), Coleção de Cultura Tropical (Campinas); Obtenção de mutantes naturais; Obtenção de mutantes induzidas por métodos convencionais; Obtenção de microrganismos recombinantes. 17

18 Características Desejáveis do Microganismo Os microrganismos de Interesse Industrial devem: Apresentar elevada eficiência na conversão do substrato em produto; Permitir o acúmulo do produto no meio, de forma a ser elevada concentração do produto no caldo fermentado; Não produzir substâncias imcompatíveis com o produto; Apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico; Não ser patogênico; Não exigir condições de processo muito complexas; Não exigir meios de cultura dispendiosos; Permitir rápida liberação do produto para o meio. 18

19 Características Desejáveis do Microganismo Exemplo da Fermentação Alcoólica: C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 Fator estequiométrico teórico=0,511 Cada grama de glicose é convertida em 0,511g de etanol Saccharomyces cerevisiae, alcança 90% deste rendimento, enquanto outros microrganimos produzem etanol, mas com rendimentos muito inferiores; 19

20 Características Desejáveis do Microganismo Exemplo da Fermentação Alcoólica: C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 Por outro lado, sabe-se que quando se atinge 8 à 10% em volume de álcool no meio, ocorre inibição da levedura e diminui a velocidade de conversão de açúcar em álcool. Portanto no caso de obtenção de álcool combustível, deve-se trabalhar com valores que não ultrapassem esta concentração alcoólica. Neste caso, a matéria prima incide em 60% do valor do custo do etanol. 20

21 Características Desejáveis do Microganismo Exemplo da produção de enzimas ou antibióticos: Açúcar + O2 Células + CO2 + Produtos + Intermediários Oxigênio, faz com que aumente consideravelmente a produção de células, enquanto pequena quantidade do produto é obtida. A matéria-prima é barata, mas a recuperação do produto é onerosa, chegando a 70% do valor do custo, porém o produto tem maior valor agregado. Portanto, buscar microrganismo, que cresçam menos, ou que acumulem menos intermediários, podem diminuir o custo do processo. 21

22 Características Desejáveis do Microganismo Exemplo da produção de glicoamilase por Aspergillus: Glicoamilase, enzima que hidrolisa amidos em glicose; Transglicosidase, enzima que polimeriza a glicose formando amido; Um microrganismo ideal, seria aquele que produz o mínimo de substâncias competitivas, ao mesmo tempo sintetize muito bem o produto pretendido. 22

23 Características Desejáveis do Meio de Cultivo Ser o mais barato possível; Atender as necessidades nutricionais do microrganismo; Auxiliar no controle do processo, como é o caso de ser ligeiramente tamponado, o que evita variações drásticas de ph, ou evitar excessiva formação de espuma; Não provocar problemas na recuperação do produto; Os componentes devem permitir algum tempo de armazenamento, a fim de estarem disponíveis para o uso a qualquer tempo; Ter composição razoavelmente fixa; 23

24 Meio de Cultivo Os microrganismos utilizam: Fonte de carbono e energia, diversos açúcares, como glicose, sacarose, frutose, polissacarideos como amido e celulose; Fonte de nitrogênio: sais como (NH4+)2SO4, (NH4)2HPO4, aminoácidos e uréia; Fonte de fósforo: Monoamônio fosfato ou Diamônio fosfato; Outros elementos: Na, K, Ca, Fe, Cu, Mg, Mn, Co, etc. em concentrações bem reduzidas, porém necessárias. Meios constituídos apenas por estas substâncias são denominados de meios sintéticos. 24

25 SUBSTRATOS Monossacarídeos (glicose, frutose, galactose, manose, ribose, xilose, arabinose) Dissacarídeos: Sacarose (glicose + frutose) Lactose (galactose + glicose) Maltose (glicose + glicose) Trissacarídeos: Rafinose (glicose + frutose + galactose) Maltotriose (glicose + glicose + glicose) Polímeros de alto peso molecular: Amido (amilose + amilopectina) Amilose: cadeia linear de glicose ligações alfa 1-4 Amilopectina: cadeia ramificada com ligações alfa 1-4 e alfa 1-6 Celulose: polímero de glicose em ligações beta 1-4 Glicogênio: polímero de glicose com ligações alfa 1-4 e alfa 1-6 Pectina: polímero de ácidos galacturônico, raminose, arabinose e

26 Perfil de Utilização de Fontes de Carbono

27 Meio de Cultivo Meios de cultivo preparados com fatores de crescimento: aminoácidos; Vitaminas (biotina, tiamina, riboflavina, etc.); Extratos de leveduras, extratos de malte, extratos de carne, peptona, hidrolisados de proteínas; 27

28 Meio de Cultivo Meios mais complexos e menos onerosos, por esta razão empregados na maioria dos processos fermentativos em grande escala: Caldo de cana-de-açúcar; Melaço, Cereais (trigo, milho, cevada, soja); Frutas (uvas, jaboticabas, laranjas, bananas) Estas matérias-primas são de composição química desconhecidas, mas os teores de açúcares, nitrogênio e fosforo, devem ser determinados para avaliar sua complementação ou não. 28

29 Considerações Finais A definição adequada do microrganismo a ser empregado, assim como do meio de cultura para este microganismo, é etapa fundamental para o sucesso de um processo fermentativo; No entanto, é sempre importante lembrar que a definição de um processo fermentativo mais adequado, assim como as preocupações com a recuperação do produto, são etapas da mais alta importância; 29

30 Considerações Finais Em alguns casos o emprego de microrganismos disponíveis em coleções de cultura pode levar ao desenvolvimento de processos produtivos que sejam atraentes; É necessário lembrar, no entanto, que presentemente se dispõem de muitos recursos para o aprimoramento de linhagens produtivas, o que torna os processos fermentativos cada vez mais promissores; 30

31 Considerações Finais Essas considerações trazem também um importante alerta sobre a constante necessidade de desenvolvimento do processo produtivo já instalado, justamente por essa grande variedade de desenvolvimentos possíveis; Presentemente e bastante dificial imaginar que uma dada empresa disponha do microrganimso ótimo ou do meio de cultura otimizado ; É da mais alta importância que essa empresa continue a busca por melhores condições, em termos de microrganismos e de meio, caso contrário, poderá ser ultrapassada pela concorrente. 31

32 ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS DE FERMENTAÇÃO POR AQUECIMENTO A VAPOR MUITOS PROCESSOS FERMENTATIVOS EXISTEM A PRESENÇA DE MICORRGANISMOS ESTRANHOS CONTAMINANTES ; EXEMPLO: 1. PINICILINA OS CONTAMINANTES PODEM PRODUZIR PENICILINASE; 2. FERMENTAÇÃO ACETONA-BUTANÓLICA, A BACTÉRIA PODE SER DESTRUÍDA POR VIRUS BACTERIÓFAGOS; OS CONTAMINANTES CONSOMEM AÇÚCARES E NUTRIENTES, COMPETINDO COM OS MICRORGANISMOS DE INTERESSE. O GRAU DE ELIMINTAÇÃO DOS CONTAMINANTES DEPENDE 32 DE CADA CASO.

33 ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS PROCESSOS DE ESTERILIZAÇÃO POR AQUECIMENTO PROCESSOS DESCONTÍNUO: O MEIO É COLOCADO NO FERMENTADOR E ENTÃO TODO O SISTEMA É AQUECIDO COM VAPOR. ESTERILIZA-SE O MEIO E O FEMENTADOR AO MESMO TEMPO, PODENDO SER POR VAPOR DIRETO OU INDIRETO; O AQUECIMENTO COM VAPOR DIRETO, PROVOCA DILUIÇÃO DO MEIO ENTRE 10 E 15%; A ESTERILIZAÇÃO DESCONTÍNUCA TEM AS SEGUINTES FASES: 1. AQUECIMENTO: elevação da temperatura próximo de 120 oc; 2. ESTERILIZAÇÃO: temperatura é mantida constante durante o tempo de esterilização; 3. RESFRIAMENTO: refrigera-se o sistema por serpentina ou pela 33 camisa do fermentador.

34 ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS PROCESSOS DE ESTERILIZAÇÃO POR AQUECIMENTO A DESTRUIÇÃO TÉRMICA DOS MICRORGANISMOS OCORREM QUANDO A TEMPERATURA ESTÁ ACIMA DA TEMPERATURA MÍNIMA LETAL (80 A 100 oc). DESVANTAGENS DA ESTERILIZAÇÃO DESCONTÍNUA: a) Manutenção do meio em teperaturas relativamente altas por períodos longos, favorecendo o desenvolvimento de reações químicas e decomposição de nutrientes; 34

35 ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS DESVANTAGENS DA ESTERILIZAÇÃO DESCONTÍNUA: a) Elevados consumos de vapores no aquecimento e de água no resfriamento; c) Problemas de corrosão nos equipamentos; d) Tempo não produtivo relativamente elevados, 35

36 ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS ESTERILIZAÇÃO CONTÍNUA: Pode ser por vapor direto ou indireto também. O meio preparado é bombeado para um trocador de calor de placas ou tubos, A temperatura sobe instantâneamente e mantida por um determinado tempo de residência; O meio é enviado para outro trocador de calor para o resfriamento; O meio é enviado para um fermentador, já esterilizado; 36

37 ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS ESTERILIZAÇÃO CONTÍNUA: ALGUNS VALORES NUMÉRICOS DE ESTERILIZAÇÃO CONTÍNUA a) vapor de aquecimento: vapor saturado (6,8 a 8,5 atm b) bombas de recalque do mosto não esterilizado podem ser bombas centrífugas, rotativas ou de pistão; c) tempo de enchimento do fermentador: não superior a 8 hs; d) temperatura de esterilização: 130 A 165 oc; 37

38 ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS VANTAGENS DA ESTERILIZAÇÃO CONTÍNUA: Temperaturas mais altas, porém tempos de permanência entre 5 e 10 minutos, o que diminui a destruição dos nutrientes melhorando a fermentação; Meios com densidade ou viscosidade altas, como mostos de cereais, o processo contínuo dispensa motores de potencia elevada, o que seria necessário no caso do processo descontínuo; 38

39 ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS VANTAGENS DA ESTERILIZAÇÃO CONTÍNUA: Economia de vapor, de água de resfriamento; Os esterilizadores podem ser utilizados nos processos de cozimentos e de sacarificação; 39

40 ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS CINÉTICA DA DESTRUIÇÃO TÉRMICA DOS MICRORGANISMOS: A VELOCIDADE DE DESTRUIÇÃO DEPENDE: a) dos microrganismos b) do meio c) da temperatura Do ponto vista cinético a destruição é dada pela equação de primeira ordem: onde: N= número de mo vivos dn dt = K *N 40