Processos fermentativos

Processos fermentativos

(Parte 1 de 7)

Trabalho acadêmico apresentado à disciplina Processos Fermentativos Industriais da Universidade Federal do Paraná ministrada.

CURITIBA 2008

1- USO DE MICRORGANISMOS NA FERMENTAÇÃO2
2- DEFINIÇÃO DE FERMENTAÇÃO8
3- METABOLISMO MICROBIOLÓGICO10
3.1- FERMENTAÇÃO ETANÓLICA15
3.2- FERMENTAÇÃO DE ÁCIDO LÁCTICO19
3.3- FERMENTAÇÃO DO GLICEROL20
3.4- FERMENTAÇÃO ACETONA-BUTANÓLICA2
3.5- FERMENTAÇÃO BUTANOL-ISOPROPANÓLICA24
3.6- FERMENTAÇÃO ACETONA-ETANÓLICA25
3.7- FERMENTAÇÃO DO ÁCIDO PROPIÔNICO26
3.8- FERMENTAÇÃO DO ÁCIDO CÍTRICO27
4- CULTIVO DE CÉLULAS MICROBIANAS28
4.1- BACTÉRIAS28
4.2- FUNGOS29
4.3- LEVEDURAS29
5- CULTIVO DE CÉLULAS ANIMAIS E VEGETAIS31
6- APLICAÇÕES DA FERMENTAÇÃO35
6.1- PRODUÇÃO DE ALIMENTOS36
6.2- PRODUÇÃO DE ANTIBIÓTICOS39
6.3- PRODUÇÃO DE ENZIMAS40
6.4- PRODUÇÃO DE ANTICORPOS40
6.5- PRODUÇÃO DE INOCULANTES41
6.6- TRATAMENTO AMBIENTAL42
6.7- PRODUTOS RECOMBINANTES43
7- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS46

1- USO DE MICRORGANISMOS NA FERMENTAÇÃO

A utilização de microrganismos na biotransformação da matéria vem desde a antiguidade. Através da observação do ambiente ao seu redor, o ser humano passou a perceber que certos processos se desenvolviam devido à presença de microrganismos no meio. A descoberta de microrganismos que podiam modificar um determinado substrato possivelmente foi feita ao acaso, como ao perceber que a carne seca resistia a deteriorização; ou que ao deixar o leite azedar era possível retirar o líquido do coalho para fabricar queijo; ou ainda que ao secar os grão antes da estocagem era possível evitar o aparecimento de fungos. (TORTORA et al., 2006) A partir dessas observações, foi possível estudar mais a fundo e utilizar esses microrganismos de forma a atender da melhor forma as nossas necessidades.

Os babilônios e os sumérios usavam leveduras na produção de álcool antes de 6000 AC (NAJAFPOUR, 2007). Já os egípcios, em 2000 AC, utilizavam leveduras para a produção de pães. Na Ásia, antes do nascimento de Cristo, utilizava-se Penicillium rouquefortii na produção de queijos. A 2500 anos atrás, na China, o fungo Aspergillus oryzae era usado no processo de fabricação de koji, que foi levado também para o Japão no século VII (PANDEY et al., 2007).

Na metade do século XIX, Luis Pasteur estudou a função de microrganismos na produção de vários produtos como alimentos fermentados, vinho, cervejas, queijo, leite, iogurte, combustíveis e química fina. Ele identificou muitos processos microbiológicos e descobriu um dos principais princípios da fermentação: a utilização de substratos por microrganismos para a produção de metabólitos primários e secundários de interesse ao homem (NAJAFPOUR, 2007).

Através do isolamento de alguns microrganismos e cultivo em meio adequado, Pasteur também conseguiu desvendar a base do que hoje recebe o nome de biotecnologia. Para se conseguir um bom rendimento muitas vezes é necessária presença de um cultivo puro com somente um microrganismo isolado e evitar o aparecimento de microrganismos indesejados, que podem alterar o processo. Além disso, uma vez terminado o processo, é necessário que os microrganismos presentes também sejam “desativados”. Para isso, Pasteur desenvolveu em 1864 o processo de pasteurização, que consiste em aquecer um determinado meio a uma temperatura de 60ºC por 30 minutos (SCHWARTZ, 2001).

Durante a Primeira Guerra Mundial começou-se a utilizar microrganismos para a produção de substâncias como etanol, acetona e ácido cítrico. Foi durante esse período que foi feito pela primeira vez um cultivo microbiológico asséptico em larga escala, quando Chaim Weizmann usou um fermentador líquido para a produção de acetona por Clostridium acetobutylicum (STANBURY et al.,1995). A partir da Segunda Guerra Mundial, os microrganismos tiveram importância na produção em larga escala de antibióticos. (TORTORA et al., 2006)

As usinas de bioprocessos são muito importantes na indústria de alimentos, química fina, e farmacêutica. Apesar de que a produção de produtos como cervejas, vinhos e queijos já vêm acontecendo desde a antiguidade, atualmente a produção é muito mais controlada e eficiente (NAJAFPOUR, 2007). Por exemplo, primeiramente, os pães eram fermentados com leveduras presentes no meio ambiente. Mais tarde passou-se a manter uma cultura própria de leveduras, guardando uma parte da produção anterior para servir de inóculo para a próxima. Atualmente pode-se comprar o fermento produzido industrialmente de forma padronizada. (TORTORA et al., 2006)

Processos como a produção de pães, vinhos e queijos, que antes eram realizados em casa ou pequenas propriedades, passaram a ser realizados em grades indústrias, evidenciando a grande vantagem que a microbiologia pode dar à indústria (PRESCOTT et al., 1959).

Exemplificando, pode-se citar a ação de leveduras em extratos de frutas ou grãos, fazendo fermentação alcoólica, onde os carboidratos são reduzidos a piruvato e então ocorre a reoxidação da forma reduzida da nicotinamida adenina dinucleotídeo (NADH) e a produção de moléculas de etanol. Outro tipo de fermentação inclui o cultivo de bactérias acéticas na produção de vinagre. Bactérias lácteas são responsáveis pela preservação do leite, produção de iogurte e queijo. Num cultivo pode-se visar também à produção de biomassa, onde as células estão em meio nutritivo que favorece a multiplicação, como na produção de fermento (NAJAFPOUR, 2007). A tabela 1 mostra alguns produtos de fermentação.

Tabela 1- Produtos de origem fermentativa

Produto da fermentação Microrganismo Aplicação

Etanol (não utilizado em bebidas) Saccharomyces cerevisiae Química fina

Ácido 2-cetoglucônico Pseudomonas sp. Intermediário para o ácido D- araboascórbico

Pectinase, protease Aspergillus niger, A. aureus Agente clarificante em sucos de frutas

Amilase bacteriana Bacillus subtilis Amido modificado, tratamento de papel

Protease bacteriana B. subtillis Tratamento de fibras, removedor manchas

Dextrano Leuconostoc mesenteroides Estabilizante alimentício

Sorbose Gluconobacter suboxydans Manufatura de ácido ascórbico

Cobalamina (vitamina

B12) Streptomyces olivaceus Suplemento alimentar

Ácido Glutâmico Brevibacterium sp. Aditivo alimentar Ácido glucônico Aspergillus niger Produtos farmacêuticos

Ácido Lático Rhizopus oryzae Alimentos e produtos farmacêuticos

Ácido cítrico Aspergillus niger, A. wentii Alimentos, medicamentos

Acetona-butanol Clostridium acetobutylicum Solventes, intermediários químicos

Insulina, interferon E. coli recombinante Terapia humana

Início de cultura Levedura de pão, Lactobacillus bulgaricus

Produção de pães, queijo e iogurte

Proteína microbiana Candida utilis Suplemento alimentar Penicilina Penicillium chrysogenum Antibióticos

Cefalosporina Cephalosparium ecremonium Antibióticos

Eritromicina Streptomyces erythreus Antibióticos Fonte: NAJAFPOUR, 2007

Os microrganismos utilizam uma fonte orgânica e produzem metabólitos primários como o etanol, que são formados durante a fase de crescimento exponencial, ao mesmo tempo em que as novas células são produzidas, e a curva de produção do metabólito segue a curva de crescimento celular quase que paralelo, como mostra o gráfico esquerdo da figura 1. Outros produtos como a penicilina e polissacarídeos são considerados metabólitos secundários, sendo produzidos durante a fase estacionária. A fase de crescimento exponencial anterior a produção de metabólitos secundários é camada de trofofase, e a etapa estacionária em que há produção é chamada de idiofase, como mostra o gráfico da direita da figura 1.

Um metabólito secundário pode ser a simples conversão de um metabólito primário ou também pode ser originado de outros compostos, mas pode necessitar uma quantidade suficiente de células ou metabólitos primários acumulados (NAJAFPOUR, 2007; TORTORA et al., 2006).

Figura 1- Metabólito primário e secundário.

Fonte: TORTORA et al., 2006.

Os bioprocessos vêm substituindo uma série de processos que antigamente só podiam ser feitos quimicamente. Eles apresentam algumas vantagens como a possibilidade de utilizar matéria-prima barata e disponível no mercado (como por exemplo, o bagaço de cana), o processo pode ser desenvolvido sob pressões e temperaturas normais (evitando sistemas pressurizados caros e perigosos), e não há a produção em quantidade de resíduos tóxicos (e quando há a produção, ainda existe a possibilidade de utilizar um outro processo microbiológico no tratamento do resíduo). (TORTORA et al., 2006)

Os processos desenvolvidos no cultivo de microrganismos se desenvolvem geralmente em equipamentos denominados biorreatores. Eles consistem em um sistema aberto ou fechado, onde há a manipulação dos parâmetros físicos (pH, concentração de reagentes, transferência de calor e massa, aeração) de forma a regular a catálise, promovendo um melhor rendimento em biomassa e/ou produto, além de tentar minimizar os custos de produção (PURICH & ALLISON, 2000). Eles geralmente são tanques cilíndricos que apresentam ou não sistema de agitação, mas também podem ser um simples erlenmeyer. Novos modelos de biorreatores aparecem constantemente, de forma a melhorar a qualidade do processo dependendo do tipo de célula a ser cultivada (bactérias, fungos, tecidos animais ou vegetais, células ou enzimas imobilizadas, etc.) (DORAN, 1995).

Ao se utilizar um biorreator, procura-se atender, se não todos, a maioria dos requisitos listados abaixo:

 O recipiente onde ocorrerá o cultivo deverá permanecer em condições assépticas durante um grande período de tempo.

 Devem ser promovidas condições adequadas de agitação e areação para satisfazer as condições metabólicas dos microrganismos, mas sem haver danificação mecânica das células dos mesmos devido ao processo.

 O consumo de energia deve ser minimizado.

 Deve haver um controle de temperatura e pH.

 Deve haver uma forma de retirar amostras do fermentado para o controle do processo.

 Não deve haver perdas excessivas devido à evaporação.

 Não deve haver a necessidade de uma grande quantidade de trabalhadores para a sua operação, limpeza e manutenção do tanque de fermentação, minimizando assim os custos com relação à mão-de-obra.

 Materiais mais baratos, mas que ainda propiciam um rendimento desejado, devem ser utilizados. (STANBURY et al.,1995)

O cultivo dos microrganismos pode ocorrer em diferentes tamanhos, como em escala de bancada, piloto ou de planta industrial. Biorreatores de escala laboratorial variam de 2 à 100 litros, mas durante operações em larga escala na indústria eles podem chegar a 100000 litros.

Inicialmente utiliza-se biorreatores menores para se investigar qual é o melhor microrganismo a ser utilizado, qual meio de cultivo proporcionará um melhor crescimento e quais condições operacionais são mais favoráveis para a formação do produto desejado. São feitos estudos sobre parâmetros como: transferência de massa, agitação, taxa de cisalhamento, formação de espuma, energia necessária, taxa de diluição, forma e tamanho do biorreator, pH, temperatura, entre outros. Isso deve ser feito em pequena escala porque não seria vantajoso fazer esses testes em larga escala, correndo o risco de perder grandes quantidades de material e ter um prejuízo econômico (NAJAFPOUR, 2007).

O processo de mudança de escala está exemplificado esquematicamente na figura 2. Após a fase de testes em frascos de 250mL a 1L e análise dos fatores de produção, passa-se para um biorreator de bancada com capacidade de 1 a 2 litros, o qual é normalmente equipado com sensores de ajuste de temperatura, pH e aeração. Isso propicia uma análise mais cuidadosa de alguns parâmetros e um controle maior sobre o processo do que o cultivo em erlenmeyer. Nessa etapa também deve-se observar se o processo se desenvolve melhor em batelada, semibatelada ou contínuo. Próximo passo é o cultivo em um biorreator em escala piloto de 100 a 1000 litros. A cada processo de aumento de escala deve-se observar se há alguma alteração na resposta celular com relação ao rendimento do processo. Se tudo estiver correto, a etapa final seria um biorreator de escala industrial (DORAN, 1995).

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