Centro Universitário da Zona Oeste
Obtenção de Energia pelos Seres Vivos
Curso: Tecnologia em Produção de Fármacos e Farmácia
Período: 5° período
Disciplina: Microbiologia Industrial
Professora: Sabrina Dias
AULA 6: FERMENTAÇÕES
Obtenção de Energia pelos Seres Vivos
Obtenção de Energia pelos Seres Vivos
Os Quimiotróficos apresentam dois mecanismos conhecidos:
1. RESPIRAÇÃO: atuam aceptores externos de elétrons (fosforilação
oxidativa)
Podendo ser:
Aeróbia: o aceptor externo é o oxigênio
Anaeróbia: aceptores diferentes do oxigênio (nitrato, sulfato,
carbonato, ...)
2. FERMENTAÇÃO: ocorre na ausência de aceptores externos de elétrons
(fosforilação em nível de substrato)
1. Respiração aeróbia: é o procedimento mais comum às células e
compreende 3 etapas:
1) Piruvato (glicólise quando o substrato é a glicose)
2) Ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs)
3) Cadeia respiratória
Obtenção de Energia pelos Seres Vivos
2ª etapa: Ciclo de Krebs
Ocorre no citoplasma (procariotos) e
nas mitocôndrias (eucariotos).
Além do papel-chave nas reações
catabólicas, o ciclo de Krebs é
importante nas reações
biossintéticas.
1ª etapa: Via Glicolítica ou Glicólise
É considerada a via metabólica mais
primitiva, presente em todas as
formas de vida atuais.
Ocorre no citoplasma das células.
Características:
1. Oxidação parcial da glicose a
ácido pirúvico
2.Pequena quantidade de ATP é
produzida
3.Pequena quantidade de NAD é
reduzida a NADH
Obtenção de Energia pelos Seres Vivos
3ª etapa: Cadeia respiratória (sistema
de transporte de elétrons)
Ocorre ao nível da membrana das
mitocôndrias
(eucariotos)
e
na
membrana citoplasmática (procariotos).
Os
prótons
e
elétrons
recolhidos na glicólise pelo
NAD e no Ciclo de Krebs
pelo
NAD
e
FAD
são
transportados ao longo de
Os intermediários são desviados para
vias biossintéticas quando necessário:
uma cadeia de citocromos
Exemplos:
em níveis sucessivamente
α-cetoglutarato: precursor de
aminoácidos
mais baixos de energia de
Oxalacetato: precursor de aminoácidos
Succinil-CoA: formação de citocromos e
da
clorofila, entre outros
modo
que
seja
melhor
aproveitada na formação de
ATP.
Acetil-CoA: biossíntese de ácidos graxos
1
Respiração Aeróbica
Obtenção de Energia pelos Seres Vivos
Quatro vias glicolíticas importantes nos diferentes
microrganismos:
1. Via Embden-Meyerhoff-Parnas (EMP)
Glicólise “clássica”
Presente em todos os organismos vivos
2. Via Hexose monofosfato (HMP)
Presente em quase todos os organismos
Responsável pela síntese das pentoses usadas na
síntese de nucleotídios
3. Via Entner-Doudoroff (ED)
Encontrada nas Pseudomonas e gêneros relacionados
4. Via Fosfoketolase (FK)
Encontrada no gênero Bifidobacterium e Leuconostoc
Fermentaç ão
Respiraç ão anaeró bia
Processo onde o doador inicial e o aceptor final de elétrons
Neste processo, o aceptor final de elétrons não é o oxigênio,
sendo substituído por nitrato, sulfato ou carbonato. Uma vez que parte
do ciclo de Krebs não é funcional em condições de anaerobiose, e
também pelo menor número de moléculas transportadoras de elétrons
correspondem a moléculas orgânicas. Desta forma, a
fermentação é um processo onde ocorre oxidação parcial dos
compostos orgânicos, que podem ser açúcares, proteínas,
presentes, este processo rende menor quantidade de energia, mas
ácidos, entre outros. Como o processo é parcial, há apenas
ainda fornece mais que na fermentação. Eventualmente, ocorre em
uma pequena fração de energia liberada. Nas fermentações,
organismos que realizam respiração aeróbia.
o ATP é gerado a partir da fosforilação em nível de substrato.
Por exemplo, após a quebra da glicose, originando ácido
pirúvico, este pode ser convertido a outro composto orgânico, por um
processo de fermentação. Assim, a fermentação é um processo que
não depende do ciclo de Krebs, ou da cadeia de transporte de
elétrons.
Neste tipo de reação, os elétrons são transferidos das
coenzimas reduzidas (NADH, NADPH) ao ácido pirúvico ou derivados,
regenerando-os
Vários
tipos
para
de
novos
fermentação são
ciclos
observados
de
em
glicólise.
diferentes
microrganismos, sendo os exemplos mais conhecidos a fermentação
alcoólica e a fermentação lática.
2
Diferenças entre respiração aeróbica e anaeróbica
Características da fermentação:
§ Ácido pirúvico é reduzido a ácidos orgânicos e
álcoois
§ NADH é oxidado a forma NAD: essencial para
operação continuada da via glicolítica
§ O 2 não é necessário
vOs
produtos
finais
são vOs produtos finais são compostos
compostos de baixa energia de elevada energia potencial (ácido
lácteo ou etanol e CO2)
potencial (H2O e CO2)
vO rendimento energético é de 38 vO rendimento energético é de 2
moléculas de ATP
moléculas de ATP
vOs NADH e FADH2 formados
durante as várias etapas deste
processo são utilizados na última
etapa para a produção de grandes
quantidades de energia
vO NADH formado durante a
glicólise e utilizado na etapa
seguinte, sem, no entanto, ocorrer
produção de energia
vÉ utilizado o O2, que funciona vNão é utilizado o O2
como aceitador final de eletrons
§ Não há obtenção adicional de ATP.
§ Gases (CO2 e/ou H 2 ) podem ser produzidos
vAs descarboxilações ocorrem em vAs descarboxilações
ocorrem
duas fases – na formação de somente na fermentação alcoólica (2
Acetil-CoA e no ciclo de Krebs (6 por molécula de glicose)
por molécula de glicose)
Tipos básicos de fermentação:
Lática (homo ou heterolática) => ácidos lático, acético, fórmico, etanol
(Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc).
Propiônica: Propiônico, acético e CO2 (Propionibacterium, Veillonella).
Acetona-Butírica: ácido butírico, acetona, butanol, isopropanol, ácido
acético, ácido fórmico, etanol, H2 e CO2 (Clostridium, Eubacterium,
Bacillus).
Acética: acético, glucônico (Acetobacter).
Aerogenes-coli-tífico: Fórmico, acético, lático, succínico, etanol, 2,3butilenoglicol, H2 e CO2 (Escherichia, Enterobacter, Salmonella).
Ação sobre carboidratos:
Ação sobre carboidratos:
Monossacarídeos
Acetoína – 2,3
butilenoglicol
Monossacarídeos
Carboidrato
Ác. Succínico –
ác. propiônico
Fermentação
Propiônica
Ácido Pirúvico
Fermentação
Diacetil
Fermentação
Butanodióica
Carboidrato
Ácido Pirúvico
Fermentação
Fórmica
Ác. lático,
Ác. Acético,
Ác. Succínico,
Ác. fórmico
Fermentação
Butírica
Ác. Acético, CO2 ,
H 2 , Acetona,
Isopropanolol, nbutanol
Fermentação
Alcoólica
Acetaldeído –
etanol
• enzima alcool
desidrogenase
Fermentação
Lática
Fermentação
Acética
Ác. Lático
Acetaldeído –
Etanol -ác.
acético
•Via das pentoses –
enzima fosfocetolase
Acetaldeído –
citrato, diacetil,
cetopina e glicol
• enzima
acetolactato
descarboxilase e
diacetil sintetase
• Via Glicolítca –
enzima
lactatodesidrogenase
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Proteínas:
Lipídios:
Proteólise = peptídeos e
aminoácidos
Decomposição de
radicais = indol a partir
do triptofano
Putrefação =
mercaptanas, aminas,
Sulfeto de hidrogênio
Proteína
Produção de
Sulfeto de
hidrogênio
Descarboxilação =
aminas voláteis,
histamina, cadaverina e
putrescina
Fosfolipídios = ação de
fosfolipases
Desaminação oxidativa
= amônia, alfacetoácidos
Rancificação hidrolítica =
cetonas metiladas e AGCC
livres
Lipídios
Odor desagradável =
hidroperóxidos, AGCC
voláteis
Desaminação redutora =
amônia, ác. orgânicos
Desaminação oxidativa
e redutora = reação de
Strickland
Processos Fermentativos
Bioprocessos: São processos que procuram preservar ou
transformar materiais biológicos de origem animal, vegetal
Processos Fermentativos
• Processos Fermentativos ou biológicos: Transformação realizada pelos
microrganismos (biocatalisadores). Os mo´s metabolizam o composto
químico. Ocorre quando o mo’s se reproduz, a partir de uma fonte
e microbiológico ou viral em produtos de interesse
apropriada de nutrientes. Pode ser anaerobiose ou aerobiose.
comercial e econômico.
MEIO
Composição (substratos, nutrientes)
• Fonte de carbono
• Fonte de nitrogênio
• Fonte de fósforo
• Outros elementos (Na, K, Ca...)
• Vitaminas
Laboratório
Industrial (matéria-prima)
•Processos fermentativos: microrganismos naturalmente ocorrentes ou
recombinantes;
•Processos com células animais ou vegetais;
•Processos enzimáticos;
•Biotratamentos de resíduos/efluentes
AGENTES DA FERMENTAÇÃO
AGENTES DA FERMENTAÇÃO
Características
• Apresentar elevada eficiência na conversão de um dado substrato.
•Não exigir condições de processo muito complexas
• Permitir o acúmulo do produto no meio de forma a se ter elevada
• Não exigir meios de cultura dispendiosos
concentração do produto no caldo fermentado.
• Permitir a rápida liberação do produto para o meio
• Não produzir substâncias incompatíveis com o produto.
• Apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico.
• Não exigir condições de processo muito complexas
• Não exigir meios de cultura dispendiosos
Características
Culturas puras e consórcio
Conservação (genética)
Quantificação
• Permitir a rápida liberação do produto para o meio
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Processos Fermentativos
Processo Fermentativo – Etapas e Pontos Básicos
Exemplos:
Produção de bebidas alcoólicas (cerveja, vinho, sidra, aguardente);
Vinagres;
Etanol;
Enzimas;
Ácidos orgânicos;
Solventes (butanol, acetona);
Vitaminas;
Antibióticos;
Polissacarídeos;
Aminoácidos.
Processos Fermentativos
Processos Fermentativos
Características desejáveis dos mo’s:
Seleção de Microrganismos de Interesse:
Bactérias e Fungos – classificados em relação a estrutura
celular;
Classificação em relação a nutrição – fonte de energia e
carbono (heterotróficos – requerem fonte de carbono,
autotróficos – usam CO2);
1. Compra em coleções de culturas (FIOCRUZ, Embrapa,etc.)
2. Isolamento a partir de recursos naturais (solo, água,
plantas)
• Apresentar elevada eficiência na conversão do substrato
em produto;
• Permitir acumulo do produto no meio, de forma a se ter
elevada concentração do produto sem sofrer inibição;
• Não possuir substâncias incompatíveis com o produto,
apresentar estabilidade fisiológica;
• Não ser patogênico;
• Não exigir condições de processo muito complexas ou
onerosas;
• Permitir rápida liberação do produto para o meio.
3. Obtenção de mutantes naturais ou induzidos
Matérias-Primas para Indústria de
Bioprocessos
Matéria – prima:
Matérias-Primas para Indústria de
Bioprocessos
Fonte de substrato para determinado
bioprocesso, podendo ser de natureza orgância (produtos
ou resíduos agrícolas) ou inorgâncias (CO2, minérios).
Substrato – É a substância química cuja estrutura ou parte
da mesma está presente na molécula do produto, podendo
ser de natureza orgânica ou inorgânica.
Insumo
–
é
um
componente
essencial
do
meio,
Matéria - prima
Substrato
Produto
Sacaríneas
Sacarose
Glicose,frutose
Amiláceas
Amido
Glicose
Celulósica
Hemicelulose,
Xilose,
Celulose
manose,
glicose
indiretamente relacionado à formação do produto. Fonte de
sais minerais e vitaminas.
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Matérias-Primas para Indústria de
Bioprocessos
Matérias-Primas para Indústria de
Bioprocessos
Critérios de escolha de matérias-primas:
•Presença e teor de substrato;
•Especificação do produto;
•Custo;
•Disponibilidade;
•Facilidade de beneficiamento;
•Facilidade de transporte e estocagem;
•Caráter de sazonalidade;
•Baixa toxicidade
Matérias-Primas para Indústria de
Bioprocessos
Produtos obtidos a partir de matéria –prima
sacarínea
•Etanol (combustível);
•Bebida fermentada (vinho,aguardente, espumante)
•Fermento de panificação;
•Iogurte, coalhada, queijos
•Ácidos orgânicos;
•Solventes;
•Vitaminas;
•Antibióticos
Matérias-Primas para Indústria de
Bioprocessos
Produtos obtidos a partir de matéria –prima
amiláceas
Etanol (farmacêutico e combustível)
Bebidas (vodka, uísque)
Edulcorantes ( polióis – sorbitol, manitol)
Xaropes
Amido modificado
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Matérias-Primas para Indústria de
Bioprocessos
Produtos obtidos a partir de matéria –prima
celulósicas
Produção de álcool
Produção de Enzimas – celulases, hemicelulases, lignases
Produção de Edulcorantes – Xilitol
Uso em tintas e adesivos – lignina
Geração de energia
Tipos de Fermentação
Maté
Maté riasrias- primas alcoó
alcoó licas
Fermentaç
Fermentaç ão Submersa ou lílí quida;
Vinagres de suco de frutas: uva (vinagre de vinho branco e tinto),
tinto), maç
maç ã,
Fermentaç
Fermentaç ão semisemi- s ó lida;
Fermentaç
Fermentaç ão só
só lida.
pera,
pera, acerola, banana, laranja;
Vinagres de tubé
tubé rculos amilá
amilá ceos:
ceos: batata, mandioca;
Vinagres de cereais: cevada, centeio, trigo,arroz;
Fermentaç
Fermentaç ão lílí quida: meio de cultivo com á gua livre (Aa =/=/1,0); geralmente com substrato solú
solú vel.
Vinagres de maté
car, mel, soro de
maté riasrias- primas aç
aç ucaradas: xarope de açú
açúcar,
leite, caldo de cana
Vinagres de á lcool: aguardante,
aguardante, á lcool propriamente dito – necessitam de
Fermentaç
Fermentaç ão semisemi- s ó lida ou em estado só
só lido: crescimento
ocorre sob uma matriz só
só lida, com baixa Aa, ú mido.
adiç
adiç ão de nutrientes
Cultivo Superficial
Cultivo Submerso
Equipamentos - Biorreatores
Reatores de fase líquida:
1. Células/enzimas livres: reatores agitados mecanicamente, reatores
agitados pneumaticamente (colunas de bolhas, fluxo pistonado)
2. Células/enzimas imobilizadas em suportes: leito fixo, leito fluidizado
3. Células/enzimas confinadas em membranas:
membranas planas, reatores com fibra oca
reatores
com
Reatores de Fase semi-sólida ou sólida:
1. Reatores estáticos (bandejas)
2. Reatores com agitação (tambor rotativo)
3. Reatores de leito fluidizado gás-sólido
4. Reatores de leito fixo
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a) agitados mecanicamente
Equipamentos - Biorreatores
b) colunas de bolhas
Tipos de Fermentação
c) “air lift”
d) fluxo pistonado
Operações do reator:
e)
f)
g)
h)
Descontínuo: com um inóculo por tanque ou com
recirculação de células;
leito fixo
leito fluidizado
membranas planas
fibra oca
Semicontínuo: sem recirculação de células ou com
recirculação de células
Descontínuo alimentado: sem recirculação de células ou
com recirculação de células
Contínuo: Executado em um reator ou executado em
vários reatores
Descontínua ou Batelada
Descontínuo alimentado ou
semi-contínuo
Tipos de Fermentação
Quanto a condução
• Batelada simples
• Batelada contínua
Tipos de Fermentação
Formas de Aeraç
Aeraç ão
Quanto ao crescimento do agente
• Superfície
• Submerso
Quanto ao suprimento de oxigênio
• Aeróbio (natural ou forçado)
• Anaeróbio
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Formas de Aeraç
Aeraç ão
Processo Fermentativo
Processo Fermentativo
Processo contínuo x Processo descontínuo
Vantagens
Desvantagens
Aumento
na
produtividade
do Maior investimento inicial
processo por redução no tempo morto
ou não produtivo
Obtenção de caldos fermentados Possibilidade de ocorrência
uniformes, facilitando a recuperação mutações espontâneas
do produto de interesse
de
Manutenção das células no mesmo Maior possibilidade de ocorrência de
estado fisiológico
contaminações
Menor necessidade de mão-de-obra
ACOMPANHAMENTO E
CONTROLE
Dificuldades de operações: formação
de espuma, crescimento nas paredes
dos reatores, saída de líquido
CINÉTICA DOS PROCESSOS
Importância: otimização e controle
Deindoerfer (concentração x tempo)
Estado do sistema
Controle (atividade máxima)
Variáveis
(pH,
temperatura,
oxigênio (aeração), Nutrientes,
espuma,
contaminantes,
umidade, agitação...)
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CINÉTICA DOS PROCESSOS
Tipo
Descrição
Simples
O substrato é convertido a produto(s)
numa proporção estequiométrica fixa e
definida,
sem
acumulo
de
intermediários.
Simultânea
O substrato é convertido a produtos (s)
numa
proporção
estequiométrica
variável,
sem
acúmulo
de
intermediários.
Consecutiva
O substrato é convertido a um
intermediário, o qual é transformado em
produto. O intermediário se acumula
em uma determinada fase, antes de ser
totalmente formado.
Etapas
O substrato é totalmente convertido a
um intermediário antes da sua
transformação em produto.
CINÉTICA DOS PROCESSOS
Gaden (velocidades específicas x tempo)
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