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.
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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.
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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;
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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.
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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.
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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.
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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;
• Não causar dificuldades no tratamento final do efluente. 7
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.
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SUBSTRATOS
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
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
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
galactose
Perfil de Utilização de
Fontes de Carbono
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;
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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.
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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;
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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;
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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.
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Biografia
• Biotecnologia Industrial. Engenharia Bioquímica.
SCHMIDELL, W. LIMA, U.A., AQUARONE, E.,
BORZANI, W. Editora Edgard Blucher, São Paulo,
2007.
Prof. Dr. João Batista de Almeida e Silva
[email protected]
[email protected]
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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
DE CADA CASO.
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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
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camisa do fermentador.
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;
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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,
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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;
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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;
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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;
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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;
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ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS
• CINÉTICA DA DESTRUIÇÃO TÉRMICA DOS
MICRORGANISMOS:
• A VELOCIDADE DE DESTRUIÇÃO DEPENDE:
• a) dos microrganismos
• b) do meio
dN
• c) da temperatura
 K * N
dt
• Do ponto vista cinético a destruição é dada pela
equação de primeira ordem:
•
onde: N= número de mo vivos após determinado tempo
dN
dt
 K * N
•
de aquecimento
k= constante de destruição térmica
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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
k S (E  X)
X 1 t t
k 2  k3
dt
 K * N
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