capítulo-1 bioengenharia introdução

5/25/2018 Captulo-1 BioEngenharia Introduo

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BIOENGENHARIA

Captulo -1Introduo

1.1 - Introduo1.2Histrico

1.3 - Produtos Obtidos por Processos Biotecnolgicos1.4 - Introduo ao Conceito de Fermentao1.5 - Etapas de um Processo Fermentativo1.6Exerccios Resolvidos


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1.1 - Introduo


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Processos biotecnolgicos normalmente se referem ao uso de microrganismos (ou seusprodutos)para produzir certos compostos qumicos. Muito tempo antes do termobiotecnologiater sido criado para representar o uso de organismos vivos na obteno de

produtos de interesse do homem,este jutilizava-os para obter produtos com caracters-ticasmelhoradas ou modificadas segundo sua necessidade, como ilustra a lista a seguir:

1.2Histrico

Era Pr-histrica

- 6000 A.C.: Bebidas alcolicas (Egito);

- 4000 A.C.: Po, vinagre, queijo e iogurte;- cerveja na Babilnia e Egito em 300 aC;

Era PrPasteur

- produo de destilados a partir de vinho (1150);

- estabelecimento da industria de vinagre (sculo 14);- Antonievan Leeuwenhoekinventaomicroscopio em 1700;- Lavoisier mostra que fermentao produz etanol e CO2 em 1789;-Gay-Lussac deduz o balano de massa na produo qumica de etanol a partir de glucose:

C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 (Ano de 1810);- Erxleben, De La Tour, Schwann, Ktzing(1837): leveduras as causadoras das fermentaes;


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Era Ps Pasteur (1865 1940)

- Pasteur descobre que os microrganismos (leveduras) responsveis pela produo de lcoolem cerveja e vinho e bactrias de cido lctico so seres vivos1857;- Christian Emil Hansen, Hermann Mller-Thurgau, Julius Wortmannobtiveram culturas puras

de leveduras em 1894;- Buchnerdescobre que extrato de leveduras detm a propriedade de transformar acar emlcool (1897) marco incialda bioqumica;- 1900: produo de acetona,butanol, glicerol e cido ctrico;

Era dos antibiticos (1940 1960)

- Descobrimentoda penicilina por Flemingem 1928/29- Descobertade muitos outros antibiticos a partir de1945- Produo industrial de Penicilina- Desenvolvimento de reatores (sistema de aerao, assepsia)- Produo de Streptomicina e Eritromicina

Nova Biotecnologia (a partir de 1975)

- Desenvolvimento da Engenharia Gentica;- Insulina humana por microrganismo (1982);-Transgnicos;-DNA Recombinante

-Engenharia Enzimtica


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SETORES INDUSTRIAIS EM QUE SO APLICADOS OS PRODUTOSOBTIDOS POR PROCESSOS BIOTECNOLGICOS

1.3Produtos Obtidos por Processos Biotecnolgicos


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INDSTRIA DE ALIMENTOS

Produo de Bebidas Alcolicas (cerveja, vinho);

Alimentos Fermentados (iogurte, leite fermentado, queijos, vinagre, shoyu, picles, etc...);Levedura para panificao;Aromas, essncias e corantes (monoglutamato de sdio, carotenides, ficocianina);Alimentos Funcionais (probiticos, pr-biticos);Aditivos para alimentos (emulsificantes e espessantes).

INDSTRIA QUMICA

Matrias-primas industriais diversas (polissacardeos, polmeros, cidos orgnicos);lcool, acetona e butanol;Surfactantes;Sntese decompostos com alto valor agregado: enzimas, aminocidos e alcalides.


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MEIO AMBIENTE

Recuperao biolgica de metais pesados e outras fontes industriais;Biorremediaodo solo, terra e guas poludas por substncias qumicas txicas;

Tratamento de resduos industriais e guas residurias;Monitoramento de poluentes (biosensores);Recuperao de reas degradadas (micorrizase bactriasfixadorasde nitrognios).

AGRICULTURA

Aumento de fertilidade do solo;Hormnios (promotores de crescimento de plantas e animais);Controle biolgico insetos, patgenos e ervas daninhas(pesticidas, fungicidas eherbicidas);Compostageme tratamento biolgico de resduos;

Ensilagem;Transgnicos (aumento do valor nutricional e resistncia a pragas).


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INDSTRIA FARMACUTICA

Antibiticos, antimicrobianos e antivirais;Vitaminas;Hormnios (do crescimento e insulina);Vacinas e probiticos;Biopolmeros de aplicao mdica (e.g., pele artificial);Biotransformaes em qumica fina.

Viso geral dos produtos biotecnolgicos, seus custos e capacidades de produo.


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1.3Introduo ao Conceito de Fermentao

A fermentao um processo de gerao de energia no qual ocorre a oxidao incompletade substncias orgnicas, como a glicose, em contraposio oxidao completa que ocorre narespirao celular. Logo, na fermentao, nem todas as ligaes covalentes entre os tomos de

carbono sero rompidas, e, assim, esse processo libera menos energia que a respirao celular(energia que ser armazenada nas ligaes entre os grupos fosfato do ATP).

Normalmente o processo ocorre associado s condies anaerbias (ausncia de O2).Porm, dependendo do organismo ou tipo celular, a fermentao tambm pode ocorrer napresena de O2, como exemplo, podemos citar as amebas, eucariontes sem mitocndrias que

geram energia apenas via fermentao. (Porm, importante ressaltar que as amebas somicro-aeroflicas! Vivem em concentraes baixas de O2). Nossas clulas musculares, caso norecebam O2, tambm podem gerar energia via fermentao (fermentao lctica).

A respirao celular, ao contrrio, um processo aerbio, s acontece na presena de O2.

Em resumo, se no h oxignio, ou mitocndrias, ou a maquinaria celular necessria pararealizar a respirao, o organismo ou a clula poder produzir ATP via gliclise (estamosestudando o processo tendo como base a molcula de glicose). Porm, na gliclise soproduzidas apenas duas molculas de ATP e isso pode no ser o bastante para manter umorganismo funcionando. Assim, uma estratgia acelerar o processo de gliclise fazendo comque mais molculas de glicose venham a sofrer as reaes, o que aumenta a gerao de ATP,

mesmo sendo dois por gliclise.


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Ento, como se pode acelerar esse processo? Vejamos uma explicao alternativa, que,apesar de parecer mais trabalhosa, pode facilitar a compreenso :

Considere uma reao qumica qualquer abaixo, na qual duas substncias, A e B, podemreagir para formar uma terceira, C:

Note que essa reao reversvel, pode se dar tantono sentido (1) quanto no (2), como efetivamenteocorre com vrias reaes metablicas).

Imagine que se adicionem as substncias A e B em um tubo de ensaio contendo apenas gua.Elas comearo a reagir e formar a substncia C (reao no sentido 1). Porm, as molculas A eB no desaparecero do sistema por completo at que se tenha apenas C. A e B reagemgerando C at que se atinja um equilbrio qumico, no qual as concentraes de A, B e C soconstantes (no variam) e as reaes nos sentidos (1) e (2) ocorrem na mesma velocidade: ataxa de formao de C igual a taxa de dissociao de C em A e B.

Caso queiramos obter mais C, um produto, podemos fazer algumas coisas, dentre as quais:adicionar mais A e B ao sistema, de forma a deslocar o equilbrio no sentido (1) e obter umaconcentrao de C maior, ou, simplesmente, retirar C do sistema, o que tambm desloca oequilbrio no sentido (1). Nesse segundo caso, como se mais A e B reagissem gerando C pararestabelecer o equilbrio.
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Nas clulas, ocorre algo similar.

Se o nico mecanismo que a clula tem disponvel para produzir ATP a gliclise, pode-sedeslocar o equilbrio no sentido de haver mais produo de ATP, retirando do sistema os

produtos piruvato e ATP. O ATP retirado do sistema ao ser utilizado, j os piruvatos, seroconvertidos em outras substncias. No nosso exemplo, seria como converter C em outrasubstncia, D.

Assim, em resumo, a fermentao consiste em duas etapas: a gliclise e as reaes que

convertem o piruvato em outra substncia. Como os piruvatos no geram acetil-CoA e noocorre ciclo de Krebs, no h oxidao completa, ou seja, nem todas as ligaes covalentesentre os tomos de carbono da glicose so quebradas, e, por isso, a gerao de energia, ou deATP, menor: dois na fermentao vs. 30 na respirao aerbia.

Fermentao Lctica : C6H12O6 2 C3H6O3 + 2 ATPFermentao Alcolica : C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP


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Fermentao Lctica : C6H12O6 2 C3H6O3 + 2 ATPFermentao Alcolica : C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP


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NA FERMENTAO ALCOLICA, so gerados etanol (um lcool) e CO2a partir de cada molculade cido pirvico. O etanol tem apenas dois tomos de carbono, um terceiro, do piruvato, perdido como CO2. Associaremos esse processo s leveduras (Reino Fungi), porm, algumasbactrias tambm podem realiz-lo. Como exemplos de aplicaes, temos :

Produo de bebidas alcolicas, tendo em vista que o processo gera etanol. As diferentesbebidas alcolicas so geradas a partir da atividade das leveduras Saccharomyces cerevisiae,que se utilizam da glicose presente em certos alimentos para gerar energia via fermentao.Da so geradas as diversas bebidas alcolicas, como o vinho (fermentao do suco de uva),cerveja (do malte, oriundo da cevada), saqu (arroz) e etc.

Produo do lcool combustvel, no qual as leveduras atuaro no melao da cana de acar.

Fabricao de pes, bolos, biscoitos e outras massas. Inicialmente se mistura fermentobiolgico em p (leveduras) massa. No interior da massa, um meio anaerbio, as leveduras

realizam fermentao alcolica e liberam CO2, que forma bolhas capazes de inflar a massa. E olcool? O lcool no produzido em grandes quantidades: os perodos de fermentaoempregados na produo de bebidas alcolicas so muito mais longos que a fermentao dasmassas (anos vs. minutos). Ademais, o lcool pode evaporar ou ser degradado quando amassa vai para o forno assar. Por isso que ningum fica alcoolizadocomendo pes.


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NA FERMENTAO LCTICA, os piruvatos (ou cidos pirvicos) so convertidos em cidolctico, molculas que tambm tm trs tomos de carbono. Associaremos esse processo sbactrias (como os lactobacilos) e aos animais. Como exemplos de aplicaes:

Produo de laticnios. Vou exemplificar com a produo de iogurtes naturais (coalhadas):bactrias, dentre as quais lactobacilos, que vivem no leite ou so inoculadas a ele, realizamfermentao lctica e liberam o cido lctico para o meio. Isso torna a soluo mais cida(diminui o pH), o que causa a desnaturao de protenas, como a casena. Desnaturadas, asprotenas se entrelaam, formando uma massa coagulada, a coalhada.

Curiosidade:Dores musculares aps esforos intensos: em atividades fsicas muito intensas, a frequnciacardaca aumenta, a fim de transportar O2mais rpido para as clulas musculares (e eliminar

CO2). Porm, o corao no consegue se contrair numa frequncia rpida o suficiente para levar

O2em quantidade suficiente para todas as clulas musculares. Assim, aquelas que no recebem,tem de gerar energia via fermentao lctica e esse processo pode ser mantido por

aproximadamente trs minutos. Durante esse tipo de atividade se tem uma sensao de

queimao nos msculos, que pode doer, mas no persiste. A dor que incomoda normalmente

vem no dia seguinte.


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Processos fermentativos so utilizados industrialmente na produo de :

Bebidas alcolicas (vinho, cerveja, sidra, aguardente),Vinagres, etanol, cidos orgnicos (ctrico, ltico, fumrico),Solventes (butanol, acetona, isopropanol),

Vitaminas (rivoflavina, cido ascrbico),Antibiticos (penicilina, estreptomicina, tetraciclina)Polissacardeos, aminocidos, leites fermentados (iogurtes), po, etc.

Podem porem ter por objetivo a produo industrial de microrganismos, que por sua vezpodem ser utilizados, como:

Agentes de outros processos fermentativos como leveduras para panificao, leveduras paraa fabricao de etanol, bactrias para tratamento biolgico de efluentes.

Na alimentao do homem e de animais, quer na forma de concentrados protico-vitamnicos (algas, leveduras do gnero Candida), quer no enriquecimento proticoprincipalmente pela ao de bolores de vrios materiais (farinha, farelo, resduos daindustrializao de fruta).

Como fixadores do nitrognio do ar na agricultura (bactrias do gnero Rhizobium).No controle biolgico de pragas (bactrias do gnero Bacillus).Na produo de vacinas (bactrias dos gneros Corynebacterium, Bordetella, Neisseria,

Mycobaterium).

Ab i li t l l d f t tili d i d t i


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Abaixo listamos alguns exemplos de fermentaes utilizados na indstria :

1)FERMENTAO LCTICA


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1)FERMENTAO LCTICAMicrorganismos: Streptococcus lactis; Bacillus destrolacticus, delbrueckii, casei, bulgaricus, leishmanii;Streptobacterium.Substrato: glicose de milho, sacarose, soros de leite, melaos, lactose, hidrolisado de batata.Produtos originados: Kefir, Lben, Iogurte, Coalhadas, Chucrute, Azeitona, Picles.

2) FERMENTAO ACTICAMicrorganismos: Acetobacter aceti; Acetobacter xylinum; Acetobacter suboxidans; Acetobacter rancens;Acetobacter pasterianus; Acetobacter ascendens; Acetobacter acetigenum; Acetobacter melanogenus;Bacillus orgeanense; Bacillus schuetzenbachii.Substrato: etanol em presena do cido actico, glicose, frutose, glicerol, manitol.Produtos originados: Vinagre.

3) FERMENTAO ALCOLICAMicrorganismos: Sacharomyces cervisiae; Sacharomyces carlsbergensis.Substrato: sacarose, amido e celulose sacarificados.Produtos originados: cerveja, vinhos, bebidas alcolicas, po, lcool.

4) FERMENTAO PROPINICAMicrorganismos: Propionibacterium thoeni; Clostridium propionicum; Micrococcus lactilicus;Propionivacerium thecnicum; Propionibacterium shermanii.Substrato: lactose, lactatos, cido ltico e glicerol.Produtos originados: queijo Ementhal e Gruyre.

5) FERMENTAO CTRICAMicrorganismos:Aspergillus niger; Aspergillus clavatus; Penicillium luteum; Penicillium citrinum.Substrato: acares, glicose.Produtos originados: cido ctrico.

1 4 Et d P F t ti


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1.4Etapas de um Processo Fermentativo

Em todo processo biotecnolgico industrial um dos elementos principais o reator, pois nelese desenvolvem as transformaes que nos interessam. Contudo, para que o resultadodesejado seja alcanado, dois outros conjuntos de operaes devem ser considerados. Soeles:

1) Os Pr-tratamentos (Upstream processes), que antecedem a operao do reator e cujafinalidade colocar o sistema nas condies previamente escolhidas, para que astransformaes, no reator, se desenvolvam em condies timas.2) Os Ps-tratamentos (Downstreamprocesses), que englobam a separao e purificao

dos produtos e subprodutos obtidos, bem como o tratamento dos resduos formados.

Pr-TratamentosUpstream Process

Ps-TratamentosDownstream Process

Bio Reator


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As Figuras a seguir apresentam as etapas do processo fermentativo, contudo nem todos osprocessos fermentativos industriais necessitam de todas as etapas indicadas.


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A Figura anterior apresenta um esquema geral de um Bioprocesso tpico, ressaltando que aforma de conduo do bioprocesso, a configurao do biorreator, assim como a definio dasetapas de recuperao do produto tambm se constituem em aspectos importantes para segarantir sucesso na operao destes processos.

Atualmente, nfase dada ao desenvolvimento de Bioprocessos que no sejam apenascost/effective,mas que tambm atendam s exigncias crescentes deonfiabilidade e reprodutibilidade, o que vem aumentando a necessidade de melhoria nomonitoramento e controle de tais processos.

Algumas transformaes microbianas, analogamente s reaes qumicas, atingemrendimentos prximos ao mximo estequiomtrico (produtos do metabolismo primrio),embora apresentando taxas globais de produo baixas.Outras, como as do metabolismo secundrio, resultam em baixos valores de rendimento eprodutividade, havendo um enorme campo para avanos em ambos os casos. Os progressossero alcanados atravs de uma maior compreenso sobre a fisiologia celular e da interao

da clula com o ambiente qumico e fsico no biorreator.

esta combinao, este binmio: clula (ou enzima)/meio ambiente (ou condiesreacionais), que define o xito de um Bioprocesso.


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A CONDUO DO PROCESSO

O processo fermentativo pode ser conduzido de maneira contnua ou descontnua(batelada), sendo que ambas as formas apresentam vantagens e inconvenientes.

Em um sistema descontnuo de produo, uma vez que o fermentador carregado com a

matria-prima e o inculo correspondentes, a fermentao prossegue at o esgotamento dosnutrientes. Concludo o processo e extrado o produto, o fermentador esvaziado, limpo eesterilizado antes de receber outra carga.

Apesar do tempo improdutivo entre uma batelada e a seguinte, o sistema relativamenteflexvel, j que o mesmo equipamento pode ser utilizado na fabricao de produtos diferentes.

A produo em bateladas bastante utilizada na indstria farmacutica porque o risco de

contaminao permanece relativamente baixo.J no sistema contnuo de produo, o acrscimo de nutrientes e a retirada do produto

ocorrem simultaneamente ao longo do processo, eliminando-se quase totalmente o tempoimprodutivo.

Como o risco de contaminao aumenta, o sistema se adapta a processos que no exijamassepsia, como a produo de protena microbiana e de lcool e, obviamente, o tratamento de

gua.Entre o sistema em batelada e o sistema contnuo existe um sistema intermedirio de

batelada alimentada em que, periodicamente, parte do contedo (meio de cultivo + produto) retirada e substituda por meio fresco.

A RECUPERAO DO PRODUTO (Os Ps-tratamentos - Downstream processes)


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A RECUPERAO DO PRODUTO (Os Ps tratamentos Downstreamprocesses )

A recuperao do produto representa uma frao considervel do custo de um processofermentativo. Se o produto for secretado fora da clula, estar disperso em um volume grandede gua e ser necessrio separ-lo por decantao ou filtrao. Mas se o produto permanecerdentro das clulas, estas tero que ser desintegradas para proceder a sua extrao.

O produto se concentra por sedimentao, precipitao, filtrao, centrifugao, extraopor solventes, destilao, evaporao do solvente e secagem. Se a purificao for necessria,esta envolver outros procedimentos, como a cristalizao e os mtodos cromatogrficos.

Um problema a considerar o despejo dos resduos de uma fermentao, alguns dos quaispodem representar um perigo para o meio ambiente como, por exemplo, o vinhoto resultante

da produo de etanol ou o soro das indstrias de laticnios. Existem formas de tratamento,como o crescimento de biomassa sobre resduos industriais, que eliminam o problema e aindapermitem a obteno de mais um produto.

Os modelos de fermentadores mais utilizados com microrganismos contam com aerao e


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Os modelos de fermentadores mais utilizados com microrganismos contam com aerao eagitao mecnica. Esta facilita a distribuio dos nutrientes na cuba, mas gera calor que deveser eliminado mediante a circulao de gua fria. Se o processo exigir assepsia, esta serconseguida mediante:

- A esterilizao do meio, dentro ou fora do fermentador.

- A desinfeco ou esterilizao do equipamento, por injeo de vapor ou mediante o calorgerado por serpentinas, sendo esta medida extensiva a todos os ductos de entrada e sada e svlvulas correspondentes.- A esterilizao do ar, mediante filtros adequados.Em outros tipos de biorreatores, em coluna ou torre, a homogeneizao depende da injeode ar. Os tanques podem chegar a 3.000 m3 de capacidade como, por exemplo, os

fermentadores para a produo de protenas de clula nica, da Imperial ChemicalIndustries(ICI), no Reino Unido.

Os sistemas submersos so apropriados para o cultivo de microrganismos livres, masresultam pouco econmicos quando se trabalha com clulas ou enzimas caras. A imobilizaoem fermentadores menores, seja por adeso a um suporte inerte, seja por incluso dentro deum polmero que permita o contato com o meio de cultura, alm de simplificar a purificaodo produto permite a reutilizao das clulas ou das enzimas, que permanecem dentro dobiorreator .O crescimento da populao microbiana, ou a quantidade do produto formado somonitorados

a partir de amostras extradas ao longo do processo. Existem fermentadores adaptados snecessidade de cada agente biolgico e de cada tipo de processos


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ENGENHARIA BIOQUMICA

1. Formulao dos meios utilizados para o crescimento dos

microrganismos no inculo e no fermentador.

2. Esterilizao dos meios, fermentadores e equipamento auxiliar.

3. A produo de uma cultura pura activa em quantidade suficiente

para inocular o fermentador.4. O crescimento do organismo no fermentador sob condies timas

para a produo do produto desejado.

5. A extrao do produto e a sua purificao.

6. O tratamento dos efluentes produzidos no processo .

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