Coleo UABUFSCar

Tecnologia das fermentaes

Reinaldo Gaspar Bastos

Tecnologia Sucroalcooleira

fundamentos de bioprocessos

Tecnologia das fermentaes

fundamentos de bioprocessos

Coordenador do Curso de Tecnologia SucroalcooleiraMiguel Antonio Bueno da Costa

ReitorTargino de Arajo FilhoVice-ReitorPedro Manoel Galetti JuniorPr-Reitora de GraduaoEmlia Freitas de Lima

UAB-UFSCarUniversidade Federal de So CarlosRodovia Washington Lus, km 235 13565-905 - So Carlos, SP, BrasilTelefax (16) 3351-8420www.uab.ufscar.bruab@ufscar.br

Secretria de Educao a Distncia - SEaDAline Maria de Medeiros Rodrigues RealiCoordenao UAB-UFSCarClaudia Raimundo ReyesDaniel MillDenise Abreu-e-LimaJoice OtsukaSandra AbibValria Sperduti Lima

Conselho EditorialJos Eduardo dos SantosJos Renato Coury Nivaldo Nale Paulo Reali Nunes Oswaldo Mrio Serra Truzzi (Presidente)

Secretria ExecutivaFernanda do Nascimento

EdUFSCarUniversidade Federal de So CarlosRodovia Washington Lus, km 235 13565-905 - So Carlos, SP, BrasilTelefax (16) 3351-8137www.editora.ufscar.bredufscar@ufscar.br

Tecnologia das fermentaes

fundamentos de bioprocessos

Reinaldo Gaspar Bastos

2010

2010, Reinaldo Gaspar Bastos

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Ficha catalogrfica elaborada pelo DePT da Biblioteca Comunitria da UFSCar

B327tBastos, Reinaldo Gaspar. Tecnologia das fermentaes : fundamentos de bioprocessos / Reinaldo Gaspar Bastos. -- So Carlos : EdUFSCar, 2010. 162 p. -- (Coleo UAB-UFSCar).

ISBN 978-85-7600-190-4

1. Biotecnologia. 2. Bioprocessos. 3. Fermentao. 4. Microbiologia industrial. 5. Enzimologia. I. Ttulo.

CDD 660.6 (20a) CDU 66:577.1

Concepo PedaggicaDaniel Mill

SupervisoDouglas Henrique Perez Pino

Equipe de Reviso LingusticaAna Luiza Menezes BaldinClarissa Neves ContiFrancimeire Leme CoelhoJorge Ialanji FilholiniLetcia Moreira ClaresLuciana Rugoni SousaPaula Sayuri YanagiwaraSara Naime Vidal Vital

Equipe de Editorao EletrnicaChristhiano Henrique Menezes de vila PeresIzis CavalcantiRodrigo Rosalis da Silva

Equipe de IlustraoJorge Lus Alves de OliveiraLgia Borba Cerqueira de OliveiraPriscila Martins de Alexandre

Capa e Projeto GrficoLus Gustavo Sousa Sguissardi

APRESENTAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

UNIDADE 1: Introduo

1 .1 Biomassa microbiana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

1 .2 Enzimas microbianas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

1 .3 Metablitos microbianos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

1 .4 Produtos recombinantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

1 .5 Biotransformao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

1 .6 Microrganismos de interesse industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

Referncias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

UNIDADE 2: Metabolismo microbiano e biomolculas envolvidas

2 .1 Enzimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

2 .2 Metabolismo microbiano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

2 .2 .1 Gliclise e Ciclo TCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 2 .2 .2 Respirao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 2 .2 .3 Metabolismo anaerbio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

Referncias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43

SUMRIO. . . . . . . . . . .

UNIDADE 3: Cintica enzimtica

3 .1 Cintica de Michaelis-Menten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

3 .2 Determinao dos parmetros cinticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54

3 .3 Inibio enzimtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55

3 .3 .1 Inibio enzimtica irreversvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56 3 .3 .2 Inibio enzimtica reversvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57 3 .3 .2 .1 Inibio enzimtica reversvel competitiva . . . . . . . . . . . . .57 3 .3 .2 .2 Inibio enzimtica reversvel no competitiva . . . . . . . . .59 3 .3 .2 .3 Inibio enzimtica reversvel incompetitiva . . . . . . . . . . .60 3 .3 .2 .4 Inibio enzimtica reversvel pelo substrato . . . . . . . . . . .62

3 .4 Efeito da temperatura na atividade enzimtica . . . . . . . . . . . . . . .63

3 .5 Efeito do pH na atividade enzimtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

Referncias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67

UNIDADE 4: Balanos elementares em processos biotecnolgicos

4 .1 Balanos materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

4 .2 Os bioprocessos podem ser conduzidos em: . . . . . . . . . . . . . . . .71

4 .3 Estequiometria dos processos microbiolgicos . . . . . . . . . . . . . .77

4 .4 Grau de reduo dos substratos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79

Referncias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81

UNIDADE 5: Cintica dos processos biotecnolgicos

5 .1 Parmetros cinticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86

5 .2 Fases de crescimento celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92

5 .3 Cintica de Monod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95

5 .4 Modelos de crescimento celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97

5 .5 Influncia de parmetros fsico-qumicos no crescimento celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99

Referncias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101

UNIDADE 6: Operaes unitrias dos processos fermentativos

6 .1 Esterilizao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109

6 .2 Agitao e mistura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114

6 .2 .1 Transferncia de oxignio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115 6 .2 .2 Agitao mecnica sem aerao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121

Referncias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123

UNIDADE 7: Biorreatores

7 .1 Biorreatores de mistura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127

7 .2 Biorreatores de mistura contnuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131

7 .3 Biorreatores tubulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133

7 .4 Configuraes de biorreatores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135

7 .5 Aumento de escala de biorreatores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138

7 .5 .1 Mtodo da constncia da potncia por unidade de volume de meio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140

7 .5 .2 Mtodo da constncia do coeficiente global de transferncia de oxignio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140

7 .5 .3 Mtodo da constncia da velocidade na extremidade do impelidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141

7 .5 .4 Mtodo da constncia do tempo de mistura . . . . . . . . . . . . . . . . .141 7 .5 .5 Mtodo da constncia do Nmero de Reynolds . . . . . . . . . . . . . .142 7 .5 .6 Escolha do critrio de scale-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142

Referncias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142

UNIDADE 8: Purificao de biomolculas

8 .1 Rompimento celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149

8 .2 Filtrao e centrifugao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150

8 .3 Purificao baseada na solubilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152

8 .4 Extrao em sistemas de duas fases aquosas . . . . . . . . . . . . . .156

8 .5 Cromatografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157

8 .6 Tratamentos finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158

Referncias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160

9

APRESENTAO

O principal objetivo deste livro apresentar os princpios da engenharia de bio-

processos e da biotecnologia industrial, de forma prtica, acessvel e condensada.

Apesar da ocorrncia de excelentes referncias sobre bioprocessos em in-

gls, so escassas as bibliografias em portugus que abordem esse tema. Sendo

assim, esta reviso tem a proposta de atenuar esse problema encontrado em cur-

sos que abordem as reas de bioqumica industrial.

De maneira didtica procurou-se classificar esse amplo assunto em oito

Unidades. No incio so apresentados os conceitos fundamentais, com a defini-

o dos termos que sero usados amplamente durante a leitura do texto. A seguir,

procurou-se apresentar os principais modelos metablicos utilizados por micror-

ganismos de interesse industrial. importante salientar que o leitor interessado

em aprofundar os conhecimentos em metabolismo celular e bioenergtica, por

exemplo, deve procurar as referncias listadas no final de cada Unidade.

Na sequncia do texto analisamos os processos enzimticos e microbiolgi-

cos por meio da estequiometria e balanos elementares. Um ponto fundamental

no estudo dos bioprocessos a cintica das reaes, abordada com a definio

dos parmetros mais importantes e exemplo de casos. Por fim, comentamos so-

bre as principais operaes unitrias utilizadas nos bioprocessos, incluindo os

princpios da purificao de biomolculas.

O autor espera que o texto seja o primeiro passo, ou seja, um agradvel im-

pulso inicial para que o leitor se interesse pelo assunto devido facilidade de leitura

e procure aprimorar seus estudos nesta rea.

Prof. Dr. Reinaldo Gaspar Bastos

DTAiSER/CCA/UFSCar

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