Uso de Microorganismos na Produção de Álcool. Microorganismos são fontes ricas de produtos naturais, podem ser usadas como combustíveis, produtos químicos: polímeros e drogas. A habilidade de manipular o metabolismo microbiano depende do seu entendimento e monitoramento de muitas variáveis destes. Bactérias Primitivos Organismos unicelulares Procariontes – não possuem núcleo ou organelas especializadas Anaeróbicos – sem presença de oxigênio Anaeróbicos facultativos Aeróbicos Formas: Glicólise Conhecida como fermentação. Degradação anaeróbica da glicose para produzir ácido láctico (fermentação homoláctica). Fermentação anaeróbica é o tipo mais primitivo de mecanismo biológico para obtenção de energia Organismos superiores retiveram esta capacidade para a degradação da glicose até a lactato, que se tornou uma via preparatória no catabolismo aeróbico da glicose. Fermentação Alcoólica Inicia com glicólise Duas moléculas de ácido pirúvico e duas moléculas de ATP Próxima reação: acido pirúvico convertido em duas moléculas de acetaldeído, que são reduzidas por duas moléculas de NADH para formar duas moléculas de etanol. Processo de baixo rendimento energético porque a maioria da energia contida na molécula de glicose original permanece no etanol, o produto final. O produto final (etanol e CO2) são resíduos para as células leveduriformes. FUNGOS Organismos unicelulares (leveduras), filamentosos (bolores) ou multicelulares (cogumelos) Eucariontes – possuem núcleo e organelas Bolores: os mais comuns, aspecto de algodão sobre pães ou frutas – micélio (hifas) que se ramificam ou expandem Alimentação: absorção de soluções de matéria orgânica de seu ambiente (solo, água do mar, água doce, um animal ou planta hospedeira). Penicillium Amanita – cogumelo tóxico Rhizopus Cogumelo Chanterel - é um dos mais famosos na categoria dos comestíveis. O sabor é requintado, lembrando frutas, remonta desde o tempo dos Romanos. Leveduras Saccharomyces cerevisae – fungo responsável pelo crescimento do pão Após a mistura com a água, o amido da farinha é quebrado por uma enzima em dois açúcares, maltose e glicose. Fermentação – processo secundário oriundo do metabolismo dos açúcares com a levedura – produção de álcool (etanol) e dióxido de carbono O CO2 é retido em bolhas na massa e há o crescimento O etanol evapora durante o cozimento Saccharomyces cerevisae brotamento 6000-2000 AC Produção de cerveja (Suméria e Babilônia); levedação do pão (Egito) 1680 Observação microscópica de leveduras (por van Leeuwenhoek) 1835 Associação da fermentação alcoólica a leveduras 1837 Utilização do nome Saccharomyces cerevisiae para designar leveduras observadas no malte 1839 Identificação do açúcar como nutriente para o crescimento da levedura 1857 Estabelecimento da relação entre a fermentação e o metabolismo de leveduras (por Pasteur) 1876 “Estudos sobre a levedura da cerveja” (por Pasteur) 1877 Introdução do termo “enzima” (do Grego) em leveduras (Kühne) 1880 Isolamento de células de levedura e utilização de estirpes puras para produção de cerveja 1883 Recuperação de álcool e dióxido de carbono de extratos livres de células (Hansen) 1915 Produção de glicerol 1920 Revisão da fisiologia da levedura (por Guilliermond) 1928 Descoberta da Penicilina (por Fleming) – fungo filamentoso 1949 Primeiro mapa genético da levedura da cerveja (por Lindegren); Demonstração da reprodução sexuada e sistema de reprodução na levedura 1930-1960 Taxonomia da levedura (por Kluyver) 1978 Primeira transformação de leveduras (por Hinnen, Hicks e Fink) 1990-1994 Produção do primeiro produto farmacêutico comercial (vacina da Hepatite C) partindo de células de levedura com o DNA recombinado 1996 Disponibilização da sequência completa do genoma da levedura Grande Problema – o que fazer com os refugos? Dada a crescente procura de bicombustíveis, há uma necessidade urgente de investigar alternativas novas e mais eficientes para sua produção. Pesquisas sobre cepas industriais de S. cerevisiae CAT-1, PE-2, BG-1, SA-1 e Y904) somente para a produção de etanol. ◦ Brasil - 34% da produção mundial. ◦ 304 Usinas e Destilarias. ◦ Safra 2006/2007 – 426 milhões de toneladas de açúcar. Gerando aproximadamente 102 milhões de toneladas de bagaço. ◦ São Paulo maior produtor: 264 milhões/t de cana e 63 milhões/t de bagaço. Fonte: Macedo (2007), UNICA (2007) Toda a indústria brasileira de etanol é baseada hoje no caldo de cana, que contém somente 1/3 da energia da planta. Os outros 2/3 estão no bagaço (metade do qual é queimado para produzir energia) e na palha da cana (geralmente queimada ou deixada no campo), que poderiam servir como fonte de celulose. O uso desse material para produção de etanol seria uma alternativa para aumento da produção de álcool sem aumentar a área plantada de cana. O aproveitamento dessa biomassa contribuirá para eliminar o problema das queimadas uma vez que hoje apenas algumas usinas aproveitam parte do bagaço para geração de energia em geradores específicos. O Estado de São Paulo (23/06/2008) O álcool pode ser obtido de diversas formas de biomassa, sendo a cana-de-açúcar a realidade econômica atual. Investimentos portentosos estão sendo efetuados para viabilizar a produção de álcool a partir de celulose, sendo estimado que, em 2020, cerca de 30 bilhões de litros de álcool poderiam ser obtidos desta fonte, apenas nos EUA. O benefício ambiental associado ao uso de álcool é enorme, pois cerca de 2,3 t de CO2 deixam de ser emitidas para cada tonelada de álcool combustível utilizado, sem considerar outras emissões, como o SO2. Os Estados Unidos estão apostando pesadamente na rota de transformação da celulose em etanol. Lá se extrai o álcool do sabugo e da palha de milho, resíduos descartados do aproveitamento do grão usado para obtenção de etanol além de outros resíduos agro-florestais. Uma das diferenças entre a produção norte-americana e a brasileira é que aqui o etanol de celulose vai agregar milhões ou bilhões de litros ao álcool produzido da sacarose que já é distribuído nos postos de combustível. Outra diferença a favor do Brasil está no custo de produção do etanol entre os dois países. Enquanto o do milho dos Estados Unidos fica em US$ 0,39 o litro, o do caldo de cana custa US$ 0,21. Biotecnologia Agrícola (03/04/2007) Outros meios de obtenção de biodiesel • A conversão lignocelulósicos , bem como o uso do óleo de reserva de algas na produção de biodiesel estão sendo investigados. Estas abordagens são muito promissoras e darão abundantes matérias-primas não alimentares para a produção de bicombustíveis e benefícios ao meio ambiente ganhos de energia líquida. Apesar de muitos microrganismos serem capazes de metabolizar o glicerol na presença de aceptores de elétrons externos (metabolismo respiratório), poucos são capazes de fazê-lo fermentativamente (isto é, na ausência de receptores de elétrons). A fermentação metabólica do glicerol tem sido relatada em espécies dos gêneros Klebsiella, Citrobacter, Enterobacter, Clostridium, Lactobacillus, Bacillus, Propionibacterium, e Anaerobiospirillum. No entanto, o potencial de utilização destes organismos a nível industrial pode ser limitada devido a questões que incluem a patogenicidade.