tecnologia das fermentações processos fermentativos

1. Introdução
1.1.
Histórico
1.2.
Importância dos processos fermentativos
1.3.
Processo fermentativo genérico
2. Microorganismos industriais
2.1.
Tipos de microorganismos
2.2.
Metabolismo microbiano
2.3.
Nutrição microbiana
2.4.
Crescimento microbiano
3. Substratos de fermentação
3.1.
Fontes de carbono
3.2.
Fontes de nitrogênio
4. Fermentadores
4.1.
Definição
4.2.
Classificação
4.3.
Desenho esquemático
5. Processos de fermentação
5.1.
Fermentação descontínua ou batelada
5.2.
Fermentação descontínua alimentada
5.3.
Fermentação semi-contínua
5.4.
Fermentação contínua
5.5.
Comparação entre processos de fermentação submersa
5.6.
Fermentação em meio sólido
6. Cinética de processos fermentativos
7. Controle de processos fermentativos
8. Recuperação dos produtos de fermentação
8.1.
Floculação → flotação e sedimentação
8.2.
Centrifugação
8.3.
Filtração
8.4.
Extração
8.5.
Cristalização e precipitação
8.6.
Dessecação
8.7.
Destilação
8.8.
Cromatografia
8.9.
Desintegração dos microorganismos
9. Higiene, limpeza e sanitização de equipamentos
9.1.
Produtos usados na limpeza e sanitização de equipamentos
9.2.
Operações de limpeza e sanitização
10. Principais processos fermentativos
10.1. Fermentação alcoólica
10.2. Biossíntese acética
10.3. Fermentação láctica
1. INTRODUÇÃO
1.1. Histórico
• Relação microorganismos x homem → evolução de ambos
• Microorganismos → decomposição de alimentos
• Microorganismos → fermentação de alimentos e bebidas
• Vinho e vinagre → 10.000 AC
• Cerveja → 5.000 – 6.000 AC → Egito
• Pão → 4.000 – 7.000 AC → Egito
• Queijo e leite fermentado → 5.000 AC
• Soja fermentada → 3.000 AC → China
1.2. Importância dos processos fermentativos
Na indústria de alimentos
Produto
Microorganismo
Queijo
Bactérias e fungos
Iogurtes
Bactérias lácticas
Manteiga
Bactérias lácticas
Bebidas alcoólicas ocidentais
Leveduras alcoólicas
Bebidas alcoólicas orientais
Fungos e leveduras
Produtos de panificação
Levedura alcoólica
Picles, azeitonas, chucrute
Bactérias lácteas
Carnes fermentadas
Bactérias lácticas
Vinagre
Bactérias acéticas
Café
Bactérias lácteas, etc.
Cacau
Leveduras e bactérias
Chá
Soja fermentada
Enzimas oxidases
Fungos, leveduras e bactérias
Leveduras comestíveis
Leveduras
Gorduras
Leveduras
Desenvolvimento de sabor
Fungos
Aromas
Fungos
Proteínas unicelulares (SCP)
Ensilagem
Fungos, leveduras e bactérias
Bactérias lácteas
Na indústria química, farmacêutica e na agricultura
1. Etanol → carburante, farmacêutico, químico, doméstico
2. Ácidos orgânicos → cítrico, láctico, acético, giberélico, etc.
3. Solventes → acetona, butanol, isopropanol
4. Aminoácidos → glutâmico, lisina, triptofano
5. Nucleotídeos, nucleosídeos e compostos afins
6. Enzimas → amilases, proteases, lipases, pectinases, lactase, glicose
isomerase, renina, etc.
7. Vitaminas → ácido ascórbico, riboflavina, ergosterol, β caroteno, B12
8. Antibióticos → penicilinas, estreptomicina, tetraciclinas, etc.
9. Vacinas → Neisseria, Mycobacterium, Corynebacterium, etc.
10.
Alcalóides
11.
Gomas → dextrânio
12.
Transformações moleculares → esteróides, antibióticos e pesticidas
13.
Tratamentos de resíduos agroindústriais, lixo e esgoto
14.
Lixiviação
15.
Fixadores de nitrogênio do ar em raízes → Rhizobium
16.
Controle biológico de pragas → Bacillus
1.3. Processo fermentativo genérico
MATÉRIAS PRIMAS
PREPARO DO MEIO DE FERMENTAÇÃO
MICROORGANISMOS
FERMENTAÇÃO
SUBPRODUTOS
TRATAMENTOS FINAIS
RESÍDUOS
PRODUTO
TRATAMENTO DE
RESÍDUOS
2. MICROORGANISMOS INDUSTRIAIS
2.1. Tipos de microorganismos
• Bactérias → procariotos, quimioorganotrofos
• Fungos → eucariotos, quimioorganotrofos
• Bolores
• Leveduras
Eucariotos x Procariotos
Características
Procariotos
Eucariotos
1. Organelas
-
+
2. Núcleo
-
+
3. Nº moléculas DNA
1
>1
4. DNA em organelas
-
+
5. DNA → cromossomo
-
+
2.2. Metabolismo microbiano
Sol
O2
Produtos
orgânicos
Seres
autotróficos
fotossintetizantes
Seres
heterotróficos
CO2
H20
Aspectos
macroscópicos
do
metabolismo
dentro
do
inter-
relacionamento global dos organismos vivos na biosfera. Fonte:
Lehninger, 1988.
2.2. Metabolismo microbiano
Nutrientes
liberadores de
energia
Macromoléculas
Carboidratos
Gorduras
Proteinas
Catabolismo
Energia
química
ATP
NADPH
Anabolismo
celulares
Proteínas
Polissacarídeos
Lipídios
Ácidos nucléicos
Produtos finais
pobres em energia
Moléculas
precursoras
CO2
H2O
NH3
Aminoácidos
Açúcares
Ácidos graxos
Bases nitrogenadas
Metabolismo = Catabolismo + Anabolismo
Fonte: Lehninger, 1988.
2.2. Metabolismo microbiano
GLICOSE
Glicólise
2 PIRUVATO
-- O2
-- O2
2 ETANOL + 2 CO2
2 LACTATO
Fermentação Alcoólica
Fermentação Láctea
O2
2 CO2
2 ACETIL CoA
Ciclo de Krebs
e
Cadeia respiratória
4 CO2 + 4 H2O
Fonte: Lenninger, 1988.
FERMENTAÇÃO
Mecanismo anaeróbio de produção
de energia que não envolve cadeia
respiratória ou citocromos.
2.3. Nutrição microbiana
Fonte de energia dos organismos fermentadores
Quimiorganotróficos → obtém energia de reações químicas
Fonte de carbono → energia x esqueleto carbônico
Carboidratos → açúcares e polissacarídeos
Aminoácidos, protídeos e proteínas
Ácidos monocarboxílicos
Lipídios
Álcoois
Fonte de nitrogênio → síntese material plástico
Orgânico → Aminoácidos, protídeos, proteína
Inorgânico → sais de amônio, (nitratos e nitritos)
2.3. Nutrição microbiana
Sais minerais
Macronutrientes
P → ATP e ácidos nucleicos
S → aminoácidos / proteínas
K → ativador enzimático, regulador da pressão osmótica
Mg → cofator enzimático
Ca → cofator enzimático
Micronutrientes → Cu, Co, Zn, Mn, Na, Bo, etc.
Fatores de crescimento
Vitaminas
Aminoácidos
Nucleotídeos
Ácidos graxos
2.3. Nutrição microbiana
Água
Não é considerada nutriente
Solvente universal → nutrição celular e reações enzimáticas
Regulação da pressão osmótica
Regulação térmica → alto calor específico
Oxigênio atmosférico
Não é considerado nutriente
Receptor de elétrons na respiração
Aeróbios
Microaerófilos
Anaeróbios
Facultativos
2.4. Crescimento microbiano
Reprodução
Bactérias → fissão binária (sexuada ou assexuada)
Leveduras → brotamento ou gemulação (assexuada)
fissão binária (assexuada)
esporulação (sexuada)
Fungos → esporulação (sexuada ou assexuada)
Modelo matemático da reprodução
População inicial = uma célula
População inicial = B células
b = 1 . 2n
→
→
b = B . 2n
Número de gerações após o crescimento
Tempo de geração = t / n
→
→
n = 3,3 . log b / B
t / 3,3 . log b / B
Curva de crescimento
3
Log N
2
1. Lag
2. Log
4
3. Estacionária
1
4. Declínio
Tempo
3 SUBSTRATOS DE FERMENTAÇÃO
3.1.
Fontes de carbono
3.1.1. Carboidratos
Cana de açúcar, sorgo sacarino, etc.
Frutas → uva, laranja, jabuticaba, etc.
Malte → cevada, trigo, milho, etc.
Melaço → subproduto da fabricação do açúcar
Licor sulfítico → subproduto da fabricação do papel
Lígno-celulósicos → palha, bagaço cana, resíduos madeira
Carboidratos puros → açúcares e amidos → preços elevados
3.1.2. Óleos vegetais → soja, algodão, palma → co-substratos
3.1.3. Álcoois → etanol, metanol
3.1.4. Alcanos → C12 – C14
3.2.
Fontes de nitrogênio
3.2.1. Inorgânico → amônia e sais de amônio
3.2.2. Orgânica
Líquido de maceração de milho → subproduto → amido
Farinha de soja → subproduto da fabricação de óleo
Extrato de levedura → preço elevado
Peptonas → preço elevado
Uréia → adubo
4. FERMENTADORES
4.1. Definição
Recipiente onde ocorre a fermentação
4.2. Classificação
4.1.1. Quanto à natureza do meio de fermentação
De fermentação submersa → meio líquido
De fermentação superficial → meio sólido
4.1.2. Quanto à forma espacial
Cilíndrico → meio líquido e sólido
Paralelepípedo → meio líquido e sólido
4.1.3. Quanto ao fechamento
Aberto
Fechado
4.1.3. Quanto ao material de construção
Madeira
Alvenaria
Aço carbono
Aço inoxidável
Aço carbono revestido → aço inox, borracha, esmalte, plástico,
resinas
Plásticos e resinas
4.3. Desenho esquemático de fermentador de cultivo submerso
4.3. Desenho esquemático de fermentadores de cultivo superficial
5. PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO
5.1. Fermentação descontínua ou batelada
C
P
P = Produto
X
X = Célula
S = Substrato
S
Tempo
5.2. Fermentação descontínua alimentada
C
X
X = Célula
P
P = Produto
S = Substrato
S
Tempo
5.3. Fermentação semi-contínua
C
X
X = Célula
P = Produto
P
S = Substrato
S
Tempo
5.4. Fermentação contínua
C
X
S
X = Célula
T
P
P = Produto
S = Substrato
T = Tempo geração
D=F/V
D
5.5. Fermentação em meio sólido
Microorganismos utilizados
Bactérias → crescem em substratos com elevada atividade de água
Bacillus thuringiensis → bioinseticidas
Zymomonas mobilis → etanol
Acetobacter aceti → vinagre pelo processo alemão
Levedura → crescem em substratos com atividade de água moderada
Saccharomyces cerevisiae → etanol
Bolores → crescem em substratos com baixa atividade de água
Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, etc. → enzimas, SCP
Mucor e Rhizopus → renina
Penicillium → antibióticos
Fusarium e Giberella → ácido giberélico
5.6. Fermentação em meio sólido
Meios
Meio sólido → fonte de nutriente → farelos, grãos, farinhas
Meio sólido → inerte → sabugo de milho, bagaço de cana
→ fonte de nutriente → meio de cultura líquido
Características importantes do meio sólido
Porosidade → fluxos de massa e energia → O2 / CO2 / calor
Tamanho da partícula → superfície específica → produtividade
circulação de ar e dissipação de gases e calor
Formato da partícula → superfície específica, porosidade
Altura da camada do meio
produção e remoção de calor
aeração e remoção de CO2 e outros gases
compactação do meio → porosidade
5.6. Fermentação em meio sólido
Controle do processo
• Umidade
película de água sobre a superfície da partícula → difusão nutri.
teor mínimo → 12% → FMS → 15 – 85%
interfere no crescimento do microrganismo de processo
interfere no crescimento de bactérias contaminantes
• Atividade de água (Aw)
água não ligada ao substrato e disponível ao microorganismo
fungos → Aw ≥ 0,7
leveduras → Aw ≥ 0,8
Aw =
Psubstrato
*100
Págua
bactérias → Aw ≥ 0,9
• Temperatura
microorganismos → psicrófilos, mesófilos, termófilos
remoção de calor produzido na fermentação
injeção ar frio no meio de cultivo
reator encamisado
controle da temperatura da sala de fermentação
5.6. Fermentação em meio sólido
Controle do processo
• pH
difícil controle devido à natureza do meio de cultivo
meios → boa capacidade tamponante
uso de solução tampão → umidificação do substrato
• Agitação → velocidade e freqüência
homogeneização → inóculo, umidade, ar, temperatura substrato
fragmentação do micélio → crescimento e formação de esporo
• Aeração
microorganismos → anaeróbios, aeróbios, facultativos
ar → fluxo de massa (O2 / CO2) e energia
fluxo de ar → espessura da camada de substrato
• Estimativa de crescimento
medida direta → muito difícil → interação micélio / meio
medida indireta → proteína, ATP, CO2, O2
• Nutrientes
• Características do substrato
6. CONTROLE DE PROCESSOS FERMENTATIVOS
6.1. Monitoramento de parâmetros físicos, químicos e biológicos
6.1.1. Parâmetros físicos
Tempo
Temperatura
Atividade de água
Pressão
Vazão de líquidos
Vazão de gases
Velocidade de agitação
6.1.2. Parâmetros químicos
pH e acidez
Sólidos solúveis (°Brix)
O2 dissolvido
O2 na fase gasosa
CO2 na fase gasosa
6.1.3. Parâmetros biológicos
Medidas de crescimento → biomassa
Medida de contaminação
6.2. Controle de processos fermentativos
ATUADOR
CONTROLADOR
FERMENTADOR
SENSOR
7. RECUPERAÇÃO DOS PRODUTOS DE FERMENTAÇÃO
Recuperação → separação, purificação e concentração
7.1. Localização dos produtos de fermentação
1. Intracelular
→
ácidos
nucleicos,
vitaminas,
enzimas,
antibióticos;
2. Extracelular → AA, ácidos orgânicos, álcoois, enzimas,
antibióticos;
3. Intra e extracelular → antibióticos e vitaminas
7.2. Operaçõres unitárias usadas na recuperação de produtos
7.2.1. Floculação → flotação e sedimentação
7.2.2. Filtração profunda ou convencional → separação de micélios de
fungos e de actinomicetos;
7.2.3. Filtração absoluta em membrana ou tangencial
Microfiltração → 0,1 - 10 µm → bactérias e leveduras
Ultrafiltração → 0,001 - 0,1 µm → PM > 1000 → macromolécula
Osmose reversa → 0,0001 – 0,001 µm → PM < 1000 → solutos
7.2.4. Centrifugação
Sistema líquido / sólido → separação de células
Sistema líquido / líquido → separação de solvente
7.2.5. Extração → solventes → alguns antibióticos
7.2.6. Destilação → ponto de ebulição → etanol
7.2.7. Cristalização
7.2.8. Desidratação
Uso do calor → produto sem vida → levedura seca
Liofilização → produto vivo → inóculos
8.
HIGIENE, LIMPEZA E SANITIZAÇÃO DE EQUIPAMENTOS
Higiene → preservação da saúde e prevenção das doenças →
Limpeza → remoção de sujidades
Sanitização → manutenção das condições de higiene
Contaminações da fermentação
• desvio de uso do substrato → queda de rendimento fermentativo
• produção de substâncias indesejáveis → queda de produtividade
• modificação das condições de fermentação
• decomposição do produto de fermentação
8.1. Produtos usados na limpeza e sanitização de equipamentos
Água
Ação mecânica → “varre” a superfície do equipamento
→ remoção partículas em suspensão ou solução
Ação química → solubiliza detergentes e sanitizadores
8.1. Produtos usados na limpeza e sanitização de equipamentos
Detergentes
função → facilitar a remoção de sujidades
molhagem → redução da tensão superficial da água
penetração → em poros, orifícios e fissuras da sujidade
saponificação de gordura → formação de sabão
emulsificação de gordura → formação de colóides solúveis
peptização de proteínas → formação de colóides solúveis
destruição de microorganismos
Tipos de detergentes
Alcalinos → removem proteínas
→ boa capacidade emulsificante
soda cáustica →NaOH
soda → Na2CO3
borax → tetraborato de sódio
8.1. Produtos usados na limpeza e sanitização de equipamentos
Tipos de detergentes
Ácidos minerais → remoção de crostas endurecidas (pedras)
corrosivos e perigosos
ácido clorídrico → HCl
ácido nítrico → HNO3
ácido fosfórico → H3PO4
Ácidos orgânicos → menos corrosivos e perigosos
ácido acético
ácido cítrico
ácido lático
Detergentes surfactantes → removem gorduras
produtos umectantes e de penetração
aniônicos → sulfonatos
catiônicos → amônio quaternário
não iônicos
8.1. Produtos usados na limpeza e sanitização de equipamentos
Sanitizantes
Antissépticos → previne / interrompe crescimento microbiano
Bactericida → elimina bactérias
Bacteriostático → inibe crescimento de bactérias
Fungicida → elimina fungos
Fungistático → inibe crescimento de fungos
Desinfetante → elimina germes sobre superfícies
Germicida → elimina flora banal e patogênica
Cloro → Bactericida de largo espectro
→ Efetivo contra esporos, fungos e bacteriófagos
Iodo → Bactericida
Amônio quaternário → Bactericida
Compostos fenólicos → Fungicida
Agentes ácidos → ácido propiônico, sórbico, benzóico e SO2
Atuação sobre fungos, leveduras e bactérias
8.2. Operações de limpeza e sanitização
Pré-lavagem
Produto → água (fria, morna, quente) ou vapor
Função → dissolver resíduo de superfície
Técnica → imersão → água
→ pressão → jato d’água ou vapor (CIP)
Aplicação do detergente
Produto → água e detergente
Função → remoção de sujidades
Técnica → CIP
Aplicação do sanitizante
Produto → água e sanitizante
Função → eliminação microorganismos → superfície equipa/.
Técnica → CIP
Rinçagem ou lavagem final
Produto → água
Função → remover resíduos de detergente ou sanitizante
Tecnica → CIP
9. Principais processos fermentativos
9.1. Fermentação alcoólica
9.1.1. Microbiologia
• Leveduras → Saccharomyces → S. cerevisiae
• Bactérias → Zymomonas → Z. mobilis
9.1.2. Bioquímica
C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP + calor
180 g
2 * 46 = 92 g
RT = 51,11%
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP + calor
9.1.3. Matérias primas
• Fonte de carboidratos → açúcar, amido, celulose, inulina, etc.
9.1.4. Principais produtos
• Bebidas alcoólicas → fermentadas, destiladas, retificadas, mist.
• Etanol carburante → álcool anidro e álcool hidratado
9.2. Fermentação láctica
9.2.1. Microbiologia
• Lactobacillus, Leuconostoc, Pediococcus, Streptococcus
9.2.2. Bioquímica
C6H12O6 → 2 CH3CHOHCOOH + 2 ATP
180
2 * 90 = 180
RT = 100%
9.2.3. Matérias primas
• Origem animal → leite → lactose
• Origem vegetal → hortaliças → glicose, frutose, sacarose, etc.
9.2.4. Principais produtos
• Origem animal → leites fermentados (iogurtes), queijos, etc.
• Origem vegetal → chucrute, picles, azeitona
9.3. Biossíntese acética
9.3.1. Microbiologia
• Acetobacter → matérias primas alcoólicas
• Saccharomyces e Acetobacter → matérias primas açucaradas
9.3.2. Bioquímica
C2H5OH + O2 → C2H3OOH + H2O
46
60
RT = 130%
9.3.3. Matérias primas
• Alcoólicas → vinho de uva e de outras frutas, álcool, etc.
• Açucaradas → mosto de uva, de frutas, de cana, etc.
9.3.4. Principais produtos
• Vinagre
• Ácido acético
Perguntas para o estudo orientado
I - INTRODUÇÃO
1. Desde há quanto tempo o homem conhece os processos fermentativos?
2. Na sua opinião, os microorganismos são benéficos ou maléficos à humanidade? Justifique.
3. Na sua opinião, quais são os principais processos fermentativos? Justifique.
4. Descreva um processo fermentativo genérico através de fluxograma de blocos.
I - MICROORGANISMOS INDUSTRIAIS
5. Quais os principais grupos de microorganismos industriais que você conhece?
6. Descreva as principais características celulares de cada grupo.
II - METABOLISMO MICROBIANO
7. Defina metabolismo, catabolismo e anabolismo.
8. Defina fermentação.
9. Faça um mapa metabólico único e sintético da glicólise, fermentação alcoólica,
fermentação láctica e respiração.
III - NUTRIÇÃO MICROBIANA
10. Quais são as principais fontes de carbono e nitrogênio para os microorganismos
fermentativos? Cite as funções metabólicas das fontes de C e N.
11. Explique as principais funções metabólicas da água, oxigênio, minerais e vitaminas nos
microorganismos fermentativos.
III - CRESCIMENTO MICROBIANO
12. De que forma as bactérias se reproduzem?
13. Idem para as leveduras.
14. Idem para os bolores
15. Qual a fórmula matemática que expressa o crescimento microbiano?
16. Num gráfico, faça a curva de crescimento de um microorganismo genérico. Explique.
IV - MEIOS DE FERMENTAÇÃO
17. Quais são as principais matérias primas usadas no preparo dos meios de fermentação?
18. Quais devem ser os atributos dessas matérias primas?
IV – FERMENTADOR (EQUIPAMENTO)
19. Defina fermentador.
20. Quais as formas e os tamanhos dos fermentadores?
21. De que materiais são construídos os fermentadores?
22. Faça um desenho esquemático de um fermentador de meio líquido.
23. Idem para meio sólido.
V - PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO
24. Defina processo de fermentação descontínuo. Faça um desenho esquemático e um gráfico
cinético deste processo.
25. Idem para descontínuo alimentado.
26. Idem para semi-contínuo.
27. Idem para contínuo.
28. Comparar um processo contínuo com outro descontínuo.
VI - CONTROLE DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS
29. Quais os principais parâmetros físicos, químicos e biológicos que devem ser controlados
nos processos fermentativos? Explique sucintamente a importância de cada um deles.
VI - RECUPERAÇÃO DOS PRODUTOS DE FERMENTAÇÃO
30. Cite os principais produtos de fermentação que você conhece.
31. Cite as principais operações unitárias usadas na recuperação dos produtos de
fermentação. Explique o princípio de funcionamento de cada uma.
VII - HIGIENE, LIMPEZA E SANITIZAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS DE FERMENTAÇÃO
32. Defina higiene.
33. Defina limpeza.
34. Defina sanitização.
35. Cite os principais produtos de limpeza usados nos processos fermentativos.
36. Idem para os produtos sanitizantes.
37. Quais as fases de um processo de limpeza e sanitização de equipamentos de
fermentação.
VIII - PRINCIPAIS PROCESSOS FERMENTATIVOS
38. Faça um mapa metabólico sintético da fermentação alcoólica, mostrando os pontos de
consumo e produção de ATP. Calcule o seu rendimento teórico.
39. Idem para fermentação láctica.
40. Idem para a fermentação acética.