TECNOLOGIA
FARMACÊUTICA
Processos Biotecnológicos
Denise E. Moritz
Conteúdo Programático Unidade I
• Processos Fermentativos (alimentos e bebidas). 1.
Introdução; Biotecnologia clássica e atual. Importância dos
processos fermentativos; Conceitos Gerais (Fermentação x
Respiração (oxidação); Micro-organismos industriais; Tipos
de Micro-organismos; Metabolismo e nutrição microbiana;
Crescimento microbiano. Fermentadores e Principais Tipos
de Produção; Técnicas de Separação e Recuperação de
produtos (Downstream); Legislação dos Processos
Fermentativos. Produção de Aditivo Alimentar através de
processo biotecnológico (batelada simples). Alimentos
Funcionais.
Objetivos
• Objetivos específicos: Conhecer a importância do papel
biotecnológico dos Micro-organismos como produtores e
interferentes nas transformações químicas dos alimentos.
Conhecer os principais equipamentos utilizados nos
processos biotecnológicos e sua aplicabilidade desde a
produção até a recuperação do produto final. Ter noções das
etapas metabólicas e transformações químicas ocorridas nos
processos fermentativos. Conhecer os tipos de cinéticas do
crescimento da célula, consumo de substrato, formação de
produto em diferentes modelos de fermentadores Preparar
o aluno para executar, conduzir e interferir desde o projeto
até o produto final desejado.
Definição
• Conceito mais abrangente: toda as técnicas que
incluem o “desenvolvimento e a aplicação de
organismos biológicos na produção de bens e
serviços” (Salles Filho et al., 1985)
• Biotecnologia: “um conjunto de técnicas de
natureza variada que envolve uma base científica
comum, de origem biológica, e que requer
crescentemente o aporte de conhecimento científico
e tecnológico, oriundos de outros campos do
conhecimento” (Silveira&Salles Filho,1990)
Características da Biotecnologia
• Multidisciplinaridade: biologia, química, informática,
genética, botânica, farmacologia e etc...
• Dispersão: aplicação em diversos setores
• Diferentes níveis de sofisticação tecnológica :
Biotecnologia Clássica ou Tradicional e Biotecnologia
Moderna
Biotecnologia Tradicional
Técnicas
Processos Fermentativo e
Enzimático
Aplicações
Diversas Aplicações Industriais:
antibióticos, ácidos, álcoois,
vitaminas, aminoácidos,
alimentos e bebidas.
Fixação Biológica de Nitrogênio
Soja, Feijão
Cultura de Tecidos
Produção de mudas
Extração Biológica
Produção de vacinas, soros e
biofármacos (insulinas bovina e
suína)
Biotecnologia Moderna
Ténicas
Aplicações
DNA
Recombinante
Industria Farmaceutica: Produção de
vacinas, biofármacos (insulina, hormônio
do crescimento)
Agricultura: Produção de sementes GMs
Anticorpo
Monoclonal
Saúde humana e animal: reagentes
Genômica
Saúde: Farmacogenômica, Terapia
Gênica
Agricultura: combate a pragas (Estudos
de genoma de fitopatógenos)
Pecuária: produtividade, doenças.
Segmentos de Mercado
1.
Saúde Humana:
Diagnósticos, fármacos, fitofármacos, vacinas, soros, biodiversidade
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Saúde Humana, Animal e Vegetal:
Identificação genética, Análise de transgênicos
Saúde Animal:
Veterinária, reprodução animal, pet, vacinas, probióticos, aquacultura
Agronegócio:
Melhoramento de plantas, transgenicos, produtos florestais, plantas ornamentais
e medicinais, bioinseticidas, biofertilizantes, inoculantes , flores
Meio Ambiente: Biorremediação, tratamento de resíduos, análises
Instrumentais complementares a Biotech:
Software, internet, bioinformática, e-commerce, P&D
Industriais:
Química fina, enzimas
Em sinergia:
Biomaterais, biomedicina, consultoria em biotech
Fornecedores:
Equipamentos, insumos, suprimentos
Fonte: Biominas, 2001.
As maiores empresas de biotecnologia do mundo 2000
• 9 das 10 maiores empresas de biotecnologia do mundo são
fabricantes de medicamentos
Empresa
1. Amgen (EUA)
Lucros em 2000 (U$
milhões)
$ 3.629
2. Genentech (EUA)
$ 1.736
3. Quitiles Transnational
(EUA)
$ 1.659
4. Erlan (Irlanda)
1.521
5. Alza (EUA)
$ 988
6. Chiron (EUA)
$ 972
7. Biogen
$ 926
8. Immunex
$ 862
9. Genzyme
10. MedImmune
$ 752
$ 540
Fonte: ETC Group, 2001.
Observações
Subsidiária
Holdings
da
Roche
Adquiriu
a
Quadrand,
Liposome
&
Dura
Pharmaceuticals
Adquirida pela Johnson &
Johnson por US$ 10.500
milhões.
A Novartis é proprietária de
50% da empresa. A Chiron
adquiriu a Pathogenesis em
2000.
A Americam Home Products
é proprietária de 41% da
empresa.
Principais empresas de sementes - 2000
Empresas
Nacionalidade
Vendas Anuais (US$
milhões)
Dupont(Pioneer)
Eua
1938
Pharmacia (Monsanto)
Eua
1600
Syngenta
Suíça
958
Group Limagrain
França
622
Grupo Pulsar (Seminis)
México
474
Reino
Únido/Holanda
373
Eua
350(estimado)
Alemanha
332
Eua
301
França
267
Advanta (AstraZeneca/Cosun)
Dow AgroSciences (+ Cargil Hybrid Seeds)
KWS AG
Delta & Pine Land
Aventis
Fonte: ETC Goup, 2001.
Empresas de Biotecnologia no Brasil
 304 empresas, segundo estudo da Fundação Biominas.
 81% na Região Centro-Sul
• Distribuição das empresas por estados
Empresas de Biotecnologia no Brasil
• Distribuição das empresas por segmentos de mercado
As Instituições-Chave de Biotecnologia
no Brasil
• Área da Saúde: Inst. Butantã, Fund. Osvaldo Cruz,
Instituto de Tecnologia do Paraná, Instituto Ludwig,
Unicamp, USP.
• Agricultura: Embrapa, IAC, Esalq, UFV.
Empresas
Cont.
Empresas de Biotecnologia Tradicional Industria Química
• Mercocítrico : Empresa multinacional, produz ácido cítrico
(processo fermentativo), não desenvolve atividades de
inovação no Brasil.
• Cógnis:Multinacional do setor Química Fina, produz
insumos para industria farmacêutica e de cosméticos.
Desenvolve pesquisas em parcerias com universidades.
• Croda: Multinacional do Setor Química Fina. Produz óleos
para a industria farmacêutica e de cosméticos. Criou a
Crodamazon, empresa de bioprospecção situada na
Amazônia.
Empresas em Biotecnologia Moderna
• RD Biotec: Empresa criada em maio de 2002
•
•
•
•
e instalada na
Escola de Medicina da USP de Ribeirão Preto
Objetivo: produzir em escala industrial uma vacina de DNA contra
tuberculose e câncer , resultado de 10 anos de pesquisas na mesma
universidade.
Inovação: Tecnologia do DNA recombinante, associada com
nanotecnologia nova formulação de vacina, que poderá ser aplicada
em dose única e não mais em três, como a versão anterior.
Fase atual: fase de experimentação em seres humanos
Única proposta de vacina gênica contra tuberculose selecionada pela
OMS
Empresas de Biotecnologia Moderna
• Alellyx: empresa de pesquisa e desenvolvimento de
produtos de biotecnologia, que conta com o apoio
da Votorantim Ventures
• objetivo: geração e comercialização de patentes na
área de genômica aplicada.
• A empresa pretende investigar problemas que
afetam as culturas de laranja, uva, cana-de-açucar,
eucalipto e soja.
Fermentação & Oxidação
Conceito de Fermentação
“ Um processo em que
transformações químicas são
realizadas em um substrato orgânico
pela ação de enzimas produzidas por
micro-organismos”.
¹ Conceito discutido por Prescott e Dunn, e Doelle em suas obras.
Processo Fermentativo
Bioquimicamente esse processo
metabólico se da com a parcial oxidação
de carboidratos e compostos
relacionados para a produção de
compostos orgânicos mais reduzidos.
Como ocorre somente parte do processo
de oxidação há um menor gasto de
energia na atividade.
FERMENTAÇÃO &
OXIDAÇÃO
Metabolismo OXIDATIVO &
fermentativo
O x i d a t i v o
Fermentativo
Oxidativo
in the Conversion of Glucose into Pyruvate
Balanço
energético
ormation of glucose into pyruvate is:
drogenase. This process regenerates NAD +.
Fermentativo
are generated in the conversion of glucose into two molecules of pyruvate
te of alcohol dehydrogenase contains a zinc ion that is coordinated to the sulfur atoms of two
a nitrogen atom of histidine (Figure 16.11). This zinc ion polarizes the carbonyl group of the
nsfer of a hydride from NADH.
hydrogenase
. This process regenerates NAD +.
Table 16.3.
in the anaerobic conversion of glucose into two molecules of pyruvate is on
of glucose17
into
ethanol
is an much
examplemore
of alcoholic
The net from
result of
this ana
Chapters
and
18 how
energyfermentation.
can be released
glucose
site of alcohol dehydrogenase contains a zinc ion that is coordinated to the sulfur atoms of two cys
d a nitrogen atom of histidine (Figure 16.11). This zinc ion polarizes the carbonyl group of the sub
ansfer of a hydride from NADH.
ceptual Insights, Energetics of Glucose Metabolism. See the section on
Fermentativo
m pyruvate in a variety of microorganisms in a process called lactic a
in the cells of higher organisms when the amount of oxygen is limitin
ction of pyruvate by NADH to form lactate is catalyzed by lactate d
he conversion of glucose into lactate is:
e conversion of glucose into lactate is:
Quadro de Comparação da Fermentação Alcoólica com a Lática
Fonte: http://www.netxplica.com/Verifica/figuras/fermentacao.alcoolica.png
Figure 16.28. Compartmental Cooperation. Oxaloacetate utilized in the cytosol for gluconeogenesis is formed in the
mitochondrial matrix by carboxylation of pyruvate. Oxaloacetate leaves the mitochondrion by a specific transport system
(not shown) in the form of malate, which is reoxidized to oxaloacetate in the cytosol.
ey
E
to
S
cig
u
sd
ran
I.T
.Gly
6
1
Glu
d
sian
co
si
eg
n
co
Glu
.3
6
1
seCan
co
BeS
mNo
fro
esizd
th
n
y
s
u
teP
d
y
h
carb
n
Figure 16.29. Generation of Glucose from Glucose 6-Phosphate. Several endoplasmic reticulum (ER) proteins play a
role in the generation of glucose from glucose 6-phosphate. T1 transports glucose 6-phosphate into the lumen of the ER,
whereas T2 and T3 transport Pi and glucose, respectively, back into the cytosol. Glucose 6-phosphatase is stabilized by a
Ca2+-binding protein (SP). [After A. Buchell and I. D. Waddel. Biochem. Biophys. Acta 1092(1991):129.]
Reações de oxi-redução
no Metabolismo
•
•
•
O NAD+ e FAD+ recolhem elétrons libertados no
catabolismo;
Catabolismo é oxidativo – substratos perdem H+;
Anabolismo é redutivo - o NADPH e FADH fornecem
elétrons para os processos anabólicos.
Fermentação
Tanques de fermentação lática chineses para a
produção de Iorgute.
Tanque de fermentação alcoólica de vinho
Fonte:
http://4.bp.blogspot.com/_MGiZcWxFpo
c/SJ3xU2RBd5I/AAAAAAAAHjg/Xbd4C15
AsWk/s400/Potenciar_T_361.jpg
Fonte:
http://stainlesssteeltanks.en.china.cn/selli
ng-
As Bactérias Acidoláticas
As bactérias acidoláticas
são utilizadas nos
processos industriais de
fermentação e
conservação de produtos
agro-alimentares. A
fermentação láctica é uma
das formas mais antigas
de conservação de
produtos oriundos da
agricultura ou da
Lactobacillus acidophilus
indústria agro-alimentar. Fonte: http://www.icb.ufmg.br/biq/prodap/2001/baclact/probiotics6.jpg
As Bactérias Acidoláticas
Atualmente este grupo é composto pelos 12 gêneros de
bactérias Gram-positivas:
Carnobacterium
Enterococcus
Lactococcus
Lactobacillus
Lactosphaera
Leuconostoc
Oenococcus
Pediococcus
Streptococcus
Tetragenococcus
Vagococcus
Weissella
Carnobacterium
Fonte:
As Bactérias Acidoláticas
As necessidades de crescimento dessas bactérias incluem a
presença de aminoácidos, vitaminas B e bases púricas e
pirimídicas. Embora elas sejam mesofílicas, algumas deles
podem crescer em temperaturas abaixo de 5°C e acima de
45°C. Com relação ao pH, a maioria cresce em uma faixa de
4,0 a 4,5, mas algumas podem crescer abaixo de 3,2 e outras
acima de 9,6.
A fermentação e as bactérias láticas
Lactococcus lactis
Fonte:
http://www.microbiologyatlas.kvl.dk/b
A principal função das
bactérias na fermentação dos
alimentos é a acidificação
destes produtos em um pH
próximo de quatro, que
impede o desenvolvimento de
bactérias indesejáveis pela
produção de ácidos orgânicos,
majoritariamente ácidos
láticos, permitindo um maior
tempo de fermentação dos
produtos.
A fermentação e as bactérias láticas
Outro papel é desenvolver
as propriedades
organolépticas dos alimentos
fermentados. Por meio da
produção de um grande
número de enzimas
glicolíticas, lipolíticas e
proteolíticas, as bactérias
transformam os nutrientes
fundamentais dos produtos
agrícolas em compostos com
propriedades organolépticas
complexas.
Streptococcus
Fonte: http://lib.jiangnan.edu.cn/ASM/0851.jpg
Produtos fermentados
Relacionando produtos resultantes da fermentação,
podemos colocar em primeiro lugar com produtos
lácteos (iogurte, queijos, manteiga, creme), mas
também com carnes, frios, chá, sidra, e vinho
(fermentação maloláctica).
Lactoderivados
Os laticínios, também denominados
produtos lácteos, são o grupo de
alimentos que inclui o leite, assim como os
seus derivados processados (geralmente
fermentados).
Fermentação Malolática
O processo para a produção do vinho envolve a fermentação
alcoólica para a quebra dos açucares feita por certos tipos de
leveduras. Terminada (ou não) a fermentação alcoólica, os
vinhos são passados a limpo para as cubas de
armazenamento onde ocorre fermentação malolática. Esta
segunda fermentação consiste na transformação do ácido
málico em ácido lático por ação de bactérias lácticas
adicionadas ao vinho, limitando a acidez fixa correspondente
à metade da acidez do ácido málico. Em suma, uma parte da
acidez do vinho transforma-se em ácido carbônico volátil, o
qual se desprende e desaparece.
Fermentação Malolática
A fermentação maloláctica provoca um
ligeiro aumento de acidez volátil da ordem
0.1 a 0.2 gramas. Isso é consequência do
ataque dos resíduos de açúcar e do ácido
cítrico pelas bactérias láticas, especialmente
os "cocos", que se realiza ao mesmo tempo
do ataque do ácido málico ou que o segue de
perto. Por causa desta instabilidade, não e
aconselhável empregar o ácido cítrico em
vinificação.
Tanque de fermentação malolática
Fonte:
http://www.az3oeno.com/noticias/fot