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1. INTRODUÇÃO
O objetivo primordial da biotecnologia é a obtenção de produtos metabólicos
úteis através do processamento biológico. Entende-se por processo
biológico, todo sistema reacional envolvendo seres vivos. Dentre estes
seres, destacam-se microrganismos tais como fungos, bactérias, algas, etc.
Denominam-se processos fermentativos os processos biológicos que têm
aplicação industrial. (RECH, 2006, p. 10)
Em termos industriais, entretanto, aceita-se a denominação fermentação ou
processo fermentativo para caracterizar qualquer transformação intermediada
por um microorganismo através de uma seqüência de reações bioquímicas.
Assim, são considerados, também, processos fermentativos, as transformações
envolvendo respiração microbiana, biossíntese, fotossíntese e respiração
com substratos inorgânicos. (BARROS, 2002, p. 53)
Desde os primórdios da civilização, o homem vem utilizando, mesmo que
inconscientemente, as fermentações para a produção de bens de consumo.
Exemplos clássicos dessa pratica estão incluídos entre os alimentos, como o
pão e o queijo, e as bebidas, como a cerveja e o vinho. Há indícios de que,
por volta de 6000 a.C., os antigos mesopotâmicos já produziam um tipo de
cerveja, aproveitando a cevada que, naquela região, crescia em estado
selvagem. Nas pirâmides egípcias, foram encontradas evidencias da
fabricação de pão usando leveduras, há milhares de anos. (BARROS, 2002, p.
47)
Foi o cientista francês Louis Pasteur, quem criou, no final do século XIX,
o termo fermentação, que reservou exclusivamente para os processos em que
as transformações provocadas por leveduras e outros microrganismos ocorriam
na ausência de ar. Em 1897, Eduard Buchner, ao isolar enzimas de levedura,
mostrou que eram elas, e não as leveduras, as verdadeiras responsáveis pela
fermentação alcoólica. (WARD, 1991, p. 2)
Ao longo do século XX, um número considerável de processos fermentativos
industriais foi introduzido ou aperfeiçoado aproveitando o potencial de
matérias-primas renováveis na obtenção de produtos químicos, combustíveis,
alimentos e bebidas, bioinseticidas, biofertilizantes, fármacos e enzimas,
dentre outros. Dentre essas matérias-primas, os resíduos agrícolas e
agroindustriais desempenham um papel marcante, com uma gama de processos
fermentativos sendo realizados com base em materiais como, por exemplo,
caldo e melaço de cana-de-açúcar, farelos de soja, trigo, milho, aveia e
arroz, resíduos celulósicos e da indústria de papel. (BARROS, 2002, p. 47)
Neste trabalho, serão discutidos os principais aspectos relacionados às
fermentações industriais, sendo ainda apresentados alguns exemplos de
produtos obtidos nesse tipo de processo.
2. DESENVOLVIMENTO
MICROORGANISMOS INDUSTRIAIS
Entre os microorganismos com aplicação industrial em processos
fermentativos, incluem-se, principalmente, as bactérias, os bolores ou
fungos filamentosos e as leveduras ou fungos unicelulares. (BARROS, 2002,
p. 48)
Para a execução com sucesso de um processo fermentativo, é necessário que
sejam respeitadas as características do agente fermentativo. Dependendo de
cada grupo, gênero, espécie e linhagem microbiana, tanto em termos de
crescimento quanto de formação de produtos, haverá a necessidade da
formulação de um meio de cultura com a adequada proporção de nutrientes.
(BARROS, 2002, p. 48)
O uso de condições ambientais adequadas é, também, fundamental para os
resultados do processos fermentativos. (BARROS, 2002, p. 48)
A definição adequada do microorganismo a ser empregado, assim como do meio
de cultura para este microorganismo, é etapa fundamental para o sucesso de
um processo fermentativo. No entanto, é sempre importante lembrar que a
definição de um processo fermentativo mais adequado, assim como as
preocupações com a recuperação do produto, são etapas da mais alta
importância. (BORZANI)
2.1.1 Características desejáveis de microorganismos para aplicação
industrial
Para uma aplicação industrial, espera-se que os microorganismos apresentem
as seguintes características gerais:
- apresentar elevada eficiência na conversão do substrato em produto;
- permitir o acúmulo do produto no meio, de forma a se ter elevada
concentração do produto no caldo fermentado;
- não produzir substâncias incompatíveis com o produto;
- apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico;
- não ser patogênico;
- não exigir condições de processo muito complexas;
- não exigir meios de cultura dispendiosos;
- permitir a rápida liberação de produto para o meio. (SCHMIDELL, 2001)
2.1.2 Condições ambientais desejáveis
Dentre as condições ambientais mais importantes podem ser citadas: (BARROS,
2002, p. 48)
Temperatura: dependendo da sua temperatura ideal de crescimento,
os microorganismos podem ser classificados em psicrófilos (temperatura
ideal até 25ºC), mesófilos (temperatura ideal entre 25ºC e 40ºC) e
termófilos (temperatura ideal acima de 40ºC);
pH: em geral, as bactérias preferem ambientes com pH levemente ácidos a
neutros, e as leveduras se desenvolvem bem com o pH entre 4 e 6, enquanto
que os fungos filamentosos admitem uma ampla faixa: 3 até 8;
Oxigênio: os microorganismos podem ser classificados como aeróbios
(dependem da presença de oxigênio), anaeróbios estritos (exigem a completa
ausência de oxigênio), anaeróbios facultativos (desenvolvem-se bem em
aerobiose e em anaerobiose), microaerófilos (necessitam de quantidades
mínimas de oxigênio) e aerotolerantes (suportam a presença de oxigênio,
embora se desenvolvam melhor em anaerobiose).
2.2 PRINCIPAIS FASES DE UM PROCESSO FERMENTATIVO
2.2.1 Preparo do Inóculo
Chama-se inóculo, pé-de-cuba ou pé-de-fermentação um volume de suspensão de
microorganismo de concentração adequada capaz de garantir, em condições
econômicas, a fermentação de um dado volume de mosto. Para que se obtenha
um inóculo com capacidade produtiva elevada, deve-se dar condições para que
o microorganismo desejado seja propagado, que incluem desde sua manutenção
até a propagação propriamente dita. (SCHMIDELL, 2001, p. 194)
O preparo do inóculo consiste de uma série de passos que visam obter uma
população microbiana elevada, ativa e adaptada às condições do processo, a
ser adicionada ao meio do fermentador principal, para iniciar a
fermentação. Pode-se partir de culturas puras estocadas em laboratório e
aumentar gradativamente o volume da suspensão microbiana, através de
transferências sucessivas pata frascos cada vez maiores. Outras vezes, os
microorganismos utilizados numa batelada são recuperados por centrifugação
ou filtração, tratados para a eliminação de contaminantes, e reutilizados
na batelada seguinte. A opção pela forma de preparo o inóculo depende de
cada processo. Se um microorganismo é muito suscetível a mutações ou
alterações de comportamento, ou ainda, se o nível de contaminação por
agentes externos da planta industrial for muito elevado, a reutilização do
cultivo deve ser evitada. (BARROS, 2002, p.58 - 59)
O volume de inóculo introduzido no fermentador de produção está
comumente ao redor de 10% de sua capacidade útil. No entanto, pode variar
de 0,5 a 50%. (SCHMIDELL, 2001, p. 195)
2.2.2 Matérias-primas, preparo do meio e esterilização
Para a realização da fermentação, é necessário que seja preparado um
meio, ou mosto, que favoreça tanto o crescimento microbiano quanto a
formação do produto. (BARROS, 2002, p. 60)
Como já se sabe, cada microorganismo possui condições ótimas de crescimento
tais como: temperatura, pH, nível de oxigênio dissolvido, entre outras. O
meio de cultivo, por sua vez, tem influência marcante nesse processo. Em
microbiologia, é chamado de meio de cultura. Aqui, na área de fermentações
industriais, é chamado de mosto ou meio de fermentação. Este, deve possuir
nutrientes classificados nos seguintes grupos: a) fontes dos elementos
"principais" – C, H, O e N; b) fonte dos elementos "secundários" – P, K, S,
Mg; c) vitaminas e hormônios; d) fontes de "traços" de elementos, ou seja,
requerimentos de elementos em quantidades mínimas para o crescimento
microbiano (por exemplo, Ca, Mn, Fe, Co, Cu, Zn). (SCHMIDELL, 2001, p. 196)
Na formação de um meio de fermentação (mosto) deve-se levar em conta
a necessidade desses nutrientes, lembrando que o meio, além de propiciar o
desenvolvimento microbiano, deve favorecer a formação do produto que se
deseja. (SCHMIDELL, 2001, p. 197)
Alguns dos substratos e/ou matérias-primas, possíveis para utilização
em cultivos microbianos, são: açúcares, melaços, soro de leite, celulose,
amido, resíduos como liquor sulfítico e água de maceração de milho,
metanol, etanol, alcanos, óleos e gorduras, etc. (SCHMIDELL, 2001, p. 198)
2.2.2.1 Características desejáveis de meios de cultivo para aplicação
industrial (SCHMIDELL, 2001, p. 15 - 16)
Algumas características gerais, que devem ser consideradas, são:
- ser o mais barato possível;
- atender às necessidades nutricionais do microorganismo;
- auxiliar no controle do processo, como é o caso de ser ligeiramente
tamponado, o que evita variações drásticas de pH, ou evitar uma excessiva
formação de espuma;
- não provocar problemas na recuperação do produto;
- os componentes devem permitir algum tempo de armazenamento, a fim de
estarem disponíveis todo o tempo;
- ter composição razoavelmente fixa;
- não causar dificuldades no tratamento final do efluente.
Após a sua preparação, o meio pode ser esterilizado, a fim de eliminar
microorganismos contaminantes e evitar a queda do rendimento do processo,
dentre outros problemas. A esterilização é, em geral, feita por tratamento
térmico. (BARROS, 2002, p. 60)
2.2.3 Recuperação e purificação de produtos
A recuperação e a purificação dos produtos presentes no biorreator
fazem parte dos chamados tratamentos finais em processos biotecnológicos.
Em geral, essa é a etapa mais complexa e onerosa de um processo
fermentativo. (BARROS, 2002, p. 61)
Na recuperação e purificação de produtos são usadas muitas técnicas
comuns nos processos químicos, dependendo das características de cada
produto e do meio em que ele está contido. É preciso, primeiramente,
separar as células e outros materiais sólidos do meio, através de métodos
físicos como a sedimentação, a filtração e a centrifugação. Em seguida,
dependendo se o produto é intracelular ou extracelular, são usados, para o
primeiro caso, métodos de ruptura de células, para liberação do produto, e
feito o enriquecimento, usando diferentes técnicas como, por exemplo, no
caso da fermentação alcoólica, a destilação. (BARROS, 2002, p. 61)
Figura 1.2: Fluxograma de um processo fermentativo
Fonte: Schmidell et al., 2001
2.3 BIORREATORES
Denominam-se "biorreatores", "reatores bioquímicos", ou ainda, "reatores
biológicos", os reatores químicos nos quais ocorrem uma série de reações
químicas catalisadas por "biocatalisadores", os quais podem ser enzimas ou
células vivas. Assim, logo de início, pode-se classificar os biorreatores
em dois grandes grupos: (PORTO, 2005)
Grupo 1: Biorreatores nos quais as reações ocorrem na ausência de células
vivas, ou seja, são tipicamente os "reatores enzimáticos";
Grupo 2: Biorreatores nos quais as reações se processam na presença de
células vivas.
Em qualquer processo biotecnológico industrial, o elemento central é o
reator, pois nele se desenvolvem, devidamente controlados, as
transformações de interesse. Isso não quer dizer que o reator constitui a
etapa mais importante do processo. Para que o resultado que se tem em vista
seja alcançado, dois outros conjuntos de operação devem ser também
cuidadosamente considerados, a saber: (BORZANI, 2001, p. 249)
Os tratamentos iniciais: "Up Stream" que antecedem a operação no reator e
cuja a finalidade é colocar ao sistema nas condições previamente
escolhidas, para que as transformações, no reator, se desenvolvam.
Os tratamentos finais: "Down Stream" que englobam a separação e a
purificação dos produtos e subprodutos obtidos, bem como o tratamento dos
resíduos formados.
Se os agentes das transformações são microorganismos vivos, de modo que as
reações que se desenvolvem no reator são conseqüências da atividade vital
das células microbianas, o processo é denominado processo fermentativo.
Neste caso,o reator é, muito frequentemente, chamado de fermentador ou
dorna. (BORZANI, 2001, p. 250)
2.3.1 Classificação dos biorreatores
Os biorreatores podem receber diversos tipos de classificação, como por
exemplo: (PORTO, 2005)
- quanto ao tipo de biocatalisador (células ou enzimas);
- quanto à configuração de biocatalisador (cel/enz livres ou imobilizadas);
- quanto a forma de se agitar o líquido no biorreator.
Considerando as várias propostas uma classificação mista e abrangente é
apresentada na Tabela 1, à seguir.
Tabela 1: Classificação geral dos biorreatores.
CLASSIFICAÇÃO DOS BIORREATORES
1. Reatores em fase aquosa (fermentação submersa):
1.1. Células ou enzimas livres:
- reatores agitados mecanicamente (STR: stirred tank reactors)
- reatores agitados pneumaticamente:
coluna de bolhas (bubble column)
reatores air-lift
- reatores de fluxo empistonado (plug-flow)
1.2. células ou enzimas imobilizadas em suportes:
- reatores com leito fixo;
- reatores com leito fluidizado
- outras concepções
1.3. células ou enzimas confinadas em membranas:
- reatores com membranas planas
- reatores de fibra oca
2. Reatores de fase não aquosa (fermentação semi-sólida)
- reatores estáticos (bandejas)
- reatores com agitação (tambor rotativo)
- reatores com leito fixo
- reatores com leito fluidizado gás-sólido.
Fonte: Schmidell et al., 2001
A Figura 2 mostra alguns tipos de configurações de biorreatores.
Figura 2: Configurações de biorreatores (a) STR; (b) coluna de bolhas; (c)
air-lift; (d) plug-flow; (e) com células imobilizadas (leito fixo); (f) com
células imobilizadas (leito fluidizado); (g) reator com membranas planas;
(h) hollow-fiber
Fonte: Schmidell et al., 2001
2.4 PROCESSOS FERMENTATIVOS
a) descontínuo
b) descontínuo alimentado:
c) semicontínuo:
d) contínuo:
e) em estado sólido
2.4.1 Fermentação Descontínua
As fermentações descontínuas clássicas, ou simplesmente, fermentações
descontínuas, vêm sendo utilizadas pelo homem desde a Antiguidade e, ainda
hoje, são as mais empregadas para obtenção de vários produtos fermentados.
São também conhecidas por fermentações por batelada ou processo descontínuo
de fermentação. (SCHMIDELL, 2001, p. 193 - 204)
Seu modo de operação pode ser descrito assim: no instante inicial a solução
nutriente esterilizada no fermentador é inoculada com microorganismos e
incubada, de modo a permitir que a fermentação ocorra sob condições ótimas.
No decorrer do processo fermentativo nada é adicionado, exceto oxigênio, no
caso de processos aeróbicos (na forma de ar), antiespumante, e ácido ou
base para controle do pH. Terminada a fermentação, descarrega-se a dorna, e
o meio fermentado segue para os tratamentos finais. Então, deve-se lavar a
dorna, esterilizá-la e recarregá-la com mosto e inóculo. (SCHMIDELL, 2001,
p. 193 - 204)
A fermentação descontínua pode levar a baixos rendimentos e/ou
produtividades, quando o substrato adicionado de uma só vez no início da
fermentação exerce efeitos de inibição, repressão, ou desvia o metabolismo
celular a produtos que não interessam. Por outro lado, apresenta menores
riscos de contaminação (se comparados com processos contínuos de
fermentação) assim como grande flexibilidade de operação,devido ao fato de
poder utilizar os fermentadores para diferentes produtos. (SCHMIDELL, 2001,
p. 193 - 204)
Ademais, é o mais utilizado na indústria de alimentos. Alguns dos alimentos
e bebidas produzidos por esse processo fermentativo são iogurte, chucrute,
picles, cerveja, vinho entre outros. (SCHMIDELL, 2001, p. 193 - 204)
2.4.2 Fermentação Descontínua Alimentada
Vários processos fermentativos têm sido desenvolvidos em função de
diferentes aplicações. Um desses, que tem importância tanto em escala
industrial como em nível de pesquisa, é o processo descontínuo alimentado,
também conhecido como processo por batelada alimentada ou, simplesmente,
fermentação descontínua alimentada. (SCHMIDELL, 2001, p. 205 - 218)
Basicamente, o processo descontínuo alimentado é definido como uma
técnica em processos microbianos, onde um ou mais nutrientes são
adicionados ao fermentador durante o cultivo e em que os produtos aí
permanecem até o final da fermentação. (SCHMIDELL, 2001, p. 205 - 218)
Antes de 1940 a maioria dos processos fermentativos envolvia a
conversão de carboidratos a outros compostos orgânicos simples. Seguindo o
sucesso da aplicação das feremntaçoes descontinuas alimentadas para
produção de levedura, tentou-se a utilização destas para a produção de
glicerol, acetona, butanol, ácido lático e outros materiais, resultando, em
muitas ocasiões, em um melhor controle do processo de fermentação e mais
eficientes utilizações dos componentes do meio. (SCHMIDELL, 2001, p. 205 -
218)
2.4.3 Fermentação Semicontínua
O processo fermentativo recebe a denominação de semicontínuo quando, uma
vez colocados no reator o meio de fermentação e o inóculo, as operações que
se seguem obedecerem à seguinte ordem: (SCHMIDELL, 2001, p. 219 - 222)
Operação nº 1 – Aguarda-se o término da fermentação.
Operação nº 2 – Retira-se parte do meio fermentado, mantendo-se, no reator
o restante de mosto fermentado.
Operação nº 3 – Adiciona-se ao reator um volume de meio de fermentação
igual ao volume de meio fermentado retirado na Operação nº 2.
O meio de fermentação adicionado na Operação nº 3 encontra, no reator as
células microbianas existentes no meio fermentado que nele foi mantido. Em
outras palavras, o meio fermentado não retirado do fermentador na Operação
nº 2 seve de inóculo ao meio de fermentação adicionado na Operação nº 3.
Reinicia-se, desse modo, a seqüência de operações acima descrita, que será
repetida enquanto não houver queda da produtividade do processo.
(SCHMIDELL, 2001, p. 219 - 222)
Um processo como o aqui descrito chama-se semicontínuo, porque são
intermitentes tanto o fluxo de entrada do meio no reator quanto o de saída
de material fermentado. O antigo processo de fabricação de vinagres a
partir do vinho, conhecido como processo lento, é um exemplo típico de
processo semicontínuo. (SCHMIDELL, 2001, p. 219 - 222)
2.4.3.1 Vantagens
Em que pese o fato de o processo semicontínuo apresentar relativamente
poucas aplicações, seu emprego, principalmente quando o volume de produção
é relativamente pequeno, pode apresentar algumas vantagens significativas,
destacando-se: (SCHMIDELL, 2001, p. 219 - 222)
possibilidade de operar o fermentador por longos períodos (às vezes,
alguns meses) sem que seja necessário preparar um novo inóculo;
possibilidade de aumentar a produtividade do reator apenas modificando se o
cronograma de trabalho;
possibilidade de, uma vez conhecidas as melhores condições de operação,
conseguir produtividade significativamente maior do que a obtida em
processo descontínuo.
2.4.4 Fermentação Contínua
O processo de fermentação contínua caracteriza-se por possuir uma
alimentação continua de meio de cultura a uma determinada vazão constante,
sendo o volume de reação mantido constante através da retirada contínua de
caldo fermentado. A manutenção de volume constante de líquido no reator é
de primordial importância, a fim de que o sistema atinja a condição de
estado estacionário ou regime permanente, condição na qual as variáveis de
estado (concentração de células, de substrato limitante e de produto)
permanecem constantes ao longo do tempo de operação do sistema. (SCHMIDELL,
2001, p. 223 - 246)
De fato, o processo contínuo caracteriza-se fundamentalmente por ser
um sistema que pode operar por longos períodos de tempos em estado
estacionário, decorrendo desta situação uma série de vantagens em relação
ao processo descontínuo tradicional. (SCHMIDELL, 2001, p. 223 - 246)
2.4.4.1 Vantagens e desvantagens do processo contínuo em relação ao
descontínuo
As principais vantagens apresentadas pelo processo contínuo de fermentação,
em relação ao descontínuo tradicional, são decorrentes da operação em
estado estacionário, podendo-se destacar: (SCHMIDELL, 2001, p. 223 - 246)
- aumento da produtividade do processo, em virtude de uma redução dos
tempos mortos ou não-produtivos;
- obtenção de caldo fermentado uniforme, o que facilita o projeto das
operações de recuperação do produto de interesse;
- possibilidade de associação com outras operações contínuas na linha
de produção;
- maior facilidade no emprego de controles avançados;
- menor necessidade de mão-de-obra.
Entretanto, ao lado das vantagens apontadas, o processo contínuo de
fermentação apresenta também algumas desvantagens ou problemas práticos,
que podem limitar o emprego deste tipo de sistema em escala industrial,
para alguns processos fermentativos. Assim, podem-se destacar:
- maior investimento inicial na planta;
- possibilidade de ocorrência de mutações genéticas espontâneas,
resultando na seleção de mutantes menos produtivos;
- maior possibilidade de ocorrência de contaminações, por se tratar
de um sistema essencialmente aberto, necessitando pois, de manutenção de
condições de assepsia nos sistemas de alimentação e retirada de meio;
- dificuldades de manutenção de homogeneidade no reator, quando se
trabalha com baixas vazões.
2.4.4.2 Aplicações
Apesar dos problemas acima mencionados, a utilização do processo contínuo
de fermentação encontra grande aplicação prática, podendo-se citar como
exemplo típico a fermentação alcoólica, onde se utiliza normalmente, em
escala industrial, o processo contínuo com reciclo de células. Outro
importante exemplo de utilização do processo contínuo em larga escala é o
tratamento biológico de resíduos, em reatores de fluxo ascendente,
empregados para o tratamento de uma grande variedade de efluentes
industriais, tais como os oriundos de fábricas de cervejas e refrigerantes,
de fábricas de laticínios e de indústrias alimentícias de um modo geral.
(SCHMIDELL, 2001, p. 223 - 246)
2.4.5 Fermentação em Estado Sólido
A fermentação em estado sólido pode ser definida como "processos que
referem-se a cultura de microorganismos sobre ou dentro de partículas em
matriz sólida (substrato ou material inerte), onde o conteúdo de líquido
(substrato ou meio umidificante) ligado a ela está a um nível de atividade
de água que, por um lado, assegure o crescimento e metabolismo das células
e, por outro, não exceda à máxima capacidade de ligação da água com a
matriz sólida". (SCHMIDELL, 2001, p. 247 - 276)
2.5 BIOQUÍMICA DA FEREMNTAÇÃO
O metabolismo pode ser definido como o conunto de transformações
químcas necessárias para manter as atividades vitais (nutricionais e
funcionais) de um organismo. De uma forma simplificada, o metabolismo pode
ser dividido em dois tipos: (BARROS, 2002, p. 49 – 52)
catabolismo ou desassimilação – tem como finalidade a produção de energia,
ocorrendo a degradação de substâncias mais complexas para formar outras
mais simples;
anabolismo ou assimilação – utiliza a energia produzida no catabolismo para
a biossíntese de moléculas mais complexas responsáveis pela produção e
demais atividades da célula.
De um modo geral, os microorganismos são capazes de obter energia para seu
desenvolvimento e manutenção a partir de diferentes fontes, como
carboidrato, proteínas e até, em alguns casos, de substâncias inorgânicas.
Os diferentes microorganismos apresentam semelhanças e diferenças com
respeito às suas formas de obtenção de energia e formação de produtos de
biossíntese. (BARROS, 2002, p. 49 – 52)
Como já mencionado, no catabolismo, a célula promove a degradação de um
certo composto, como carboidratos, obtendo, nesse processo, a energia
necessária para sua manutenção e reprodução. Essa energia é armazenada na
forma de adenosina trifosfato, ou ATP, que contém três íons fosfato. Cada
vez que um desses íons é liberado, formando adenosina difosfato (ADP), há
uma concomitante liberação de energia química que será usada pela célula.
Há, portanto, a necessidade de produção de mais ATP, o que torna necessário
o reinício do ciclo. (BARROS, 2002, p. 49 – 52)
Considere-se um meio de cultura, contendo todos os nutrientes
necessários para um dado microorganismo, com glicose como fonte de carbono
e substrato energético. Inicialmente, ocorrerá a degradação da glicose em
ácido pirúvico ou, em sua forma ionizada, piruvato. Essa conversão ocorre
através de uma seqüência de reações bioquímicas chamada de glicólise ou via
glicolítica. A glicólise não é a única via de conversão de glicose em
piruvato, mas é a mais freqüente. (BARROS, 2002, p. 49 – 52)
É importante mencionar que cada reação da via glicolítica é
catalisada por uma enzima específica. Em algumas reações dessa via, ocorre
o consumo de ATP, enquanto em outras é possível a incorporação de um
fosfato inorgânico (Pi) numa molécula de ADP para formar ATP. Tem-se,
então, um gasto de 2 ATP e a formação de 4 ATP, com o saldo energético de 2
ATP. Outro ponto a ressaltar é a passagem de 2 moles da coenzima
nicotinamida adenina dinucleotídeo de sua forma oxidada (NAD+) para a
reduzida (NADH). Isso se dá na etapa de oxidação de gliceraldeído-3-fosfato
a 1,3-difosfoglicerato, em que o NAD+ serve como aceptor de elétrons da
reação de oxirredução. (BARROS, 2002, p. 49 – 52)
Assim, o balanço final da via glicolítica é o seguinte:
A partir desse ponto, para que as células continuem consumindo
glicose e produzindo mais ATP, é preciso que o NADH que foi produzido seja
reoxidado a NAD+, para uma nova utilização na via glicolítica. Existem
agora, duas alternativas para a continuação do processo, dependendo do
microorganismo, da presença de oxigênio e/ou das condições do cultivo: a
respiração e a fermentação. (BARROS, 2002, p. 49 – 52)
Se o microorganismo for aeróbio, ou anaeróbio facultativo com ampla
disponibilidade de oxigênio, as duas moléculas de NADH produzidas na via
glicolítica servirão como doadoras para o sistema de transporte de
elétrons, o que levará à regeneração do NAD+ e à formação de seis moléculas
de ATP. O piruvato, por sua vez, será oxidado a acetil-CoA pelo NAD+ com a
conseqüente formação de duas novas moléculas de NADH que, da mesma forma,
serão reoxidadas no sistema de transporte de elétrons, sendo sintetizadas,
assim, mais seis moléculas de ATP. Cada molécula de acetil-CoA, então, se
condensará com uma de ácido oxalacético, formando duas moléculas de ácido
cítrico e dando início a via bioquímica chamada de ciclo do ácido cítrico
ou de Krebs em que há a formação de uma grande quantidade adicional de
energia (24 ATP/mol glicose). No caso, ocorre a degradação completa da
glicose, e os produtos finais são dióxido de carbono e água. (BARROS, 2002,
p. 49 – 52)
Com microorganismos anaeróbios estritos, é claro que a respiração não
pode ser utilizada, já que para eles o oxigênio é letal. Nesse caso, a
reoxidação do NADH é feita pela formação de produtos de fermentação,
através de vias metabólicas, efetuadas a partir do piruvato, dependentes da
capacidade de cada espécie microbiana. (BARROS, 2002, p. 49 – 52)
Em microorganismos anaeróbios facultativos, a definição do
metabolismo predominante – respiração ou fermentação – vai depender da
condição de cultivo com respeito à oxigenação do meio. Se houver uma total
disponibilidade de oxigênio (aerobiose), o microorganismo realizará,
preferencialmente, a respiração, visto que o rendimento energético nessa
via é, muitas vezes, maior. Na ausência de oxigênio, o microorganismo se
comportará como se fosse anaeróbio. Finalmente, com o oxigênio em
quantidade limitada para a população microbiana, a respiração e a
fermentação ocorrerão simultaneamente. (BARROS, 2002, p. 49 – 52)
As vias glicolítica citadas acima, via glicolítica e ciclo de Krebs,
podem ser melhor visualizadas nas imagens que se encontram em anexo.
Anexo1. Etapas da via Glicolítica
Anexo 2. Ciclo de Krebs.
2.6 EXEMPLOS DE PRODUTOS OBTIDOS POR FERMENTAÇÃO
2.6.1 Produção de Etanol
A via fermentativa é a maneira mais importante para a obtenção de
álcool etílico no Brasil. Mesmo que venha a haver disponibilidade de
derivados de petróleo que permitam a produção de álcool de síntese, a via
fermentativa ainda será de grande importância para a produção de álcool de
boca, sob a forma de aguardentes. Um dos fatores que torna a produção do
etanol por fermentação a forma mais econômica de sua obtenção, é o grande
numero de matérias-primas naturais existentes em todo o país. Na obtenção
do álcool por via fermentativa, distinguem-se três fases: o preparo do
substrato, a fermentação e a destilação. (LIMA, 2001, p. 1 – 42)
O preparo do substrato é o tratamento da matéria-prima para dele se
extraírem os açúcares fermentescíveis. Difere para as distintas matérias-
primas. A fermentação é um processo comum a todos os substratos açucarados,
cujo principio é a transformação dos açucares em etanol e dióxido de
carbono. As variações entre os processos de fermentação são apenas em
detalhes. Na destilação, separa-se o etanol, geralmente em duas operações.
A primeira para p separar do substrato fermentado, sob a forma de mistura
hidroalcoólica impurificada com aldeídos, ésteres, alcoóis superiores e
ácidos orgânicos. Outra, para separar as impurezas do etanol. (LIMA, 2001,
p. 1 – 42)
Diferentes espécies microbianas – bactérias e leveduras – são capazes de
produzir etanol. Industrialmente, entretanto, leveduras anaeróbicas
facultativas pertencentes ao gênero Saccharomyces , e especialmente, à
espécie S. cervisiae, são as mais empregadas. (BARROS, 2002, p. 62 – 64)
As leveduras utilizadas no processo de fermentação alcoólica não tem a
capacidade de metabolizar diretamente polissacarídeos como o amido e a
celulose. Nesse caso, matérias-primas contendo esse tipo de carboidratos
necessitam ser previamente tratadas, a fim de produzir xaropes de
substratos simples como a glicose. Em alguns países do hemisfério norte, o
uso de materiais amiláceos para a produção de álcool etílico é
relativamente comum. No Brasil, por outro lado, considerando sua posição
geográfica, o cultivo da cana-de-açucar é favorecido e, com isso, o caldo
de cana-de-açúcar ou o melaço resultante da produção de açúcar são as
matérias-primas utilizadas. Nessas matérias-primas, a sacarose é o
principal constituinte, com teores da ordem de 14% a 20% (p/v) no caldo e
60% no melaço. Normalmente, na preparação do mosto, são incorporadas fontes
de fosfato, como o superfosfato e o nitrogênio inorgânico, como o sulfato
de amônio, visto que melaço e caldo de cana-de-açúcar são pobres desses
nutrientes. (BARROS, 2002, p. 62 – 64)
Hoje em dia, no Brasil, o processo fermentativo de produção de etanol é
realizado por processo em regimes descontínuo alimentado ou contínuo, a fim
de manter baixos teores de substrato e, em decorrência, aumentando a
produtividade em virtude da redução do tempo de processo. (BARROS, 2002, p.
62 – 64)
2.6.1.1 Bioquímica da Fermentação Alcoólica
A fermentação alcoólica é a ação de leveduras sobre açúcares
fermentáveis contidos em uma solução/suspensão. É um processo biológico no
qual a energia formada por reações de oxidação parcial pode ser utilizada
para o crescimento de leveduras e a oxidação parcial anaeróbia da hexose na
produção de álcool e CO2. (PORTO, 2005)
A transformação do açúcar em etanol e CO2 envolve 12 reações em
seqüência ordenada, cada qual catalisada por uma enzima específica,
conforme apresentado na Figura 3. Tal aparato enzimático está confinado no
citoplasma celular, sendo, portanto, nessa região da célula que a
fermentação alcoólica se processa. (PORTO, 2005)
A simplificação se dá em três etapas: (PORTO, 2005)
1- Via aeróbia
- C6H12O6 respiração CO2+H2O (crescimento celular rápido)
2- Via anaeróbia
- C6H12O6 fermentação C2H5OH+CO2 (crescimento celular lento)
- C6H12O6+2ADP+PO4-3 2C2H5O+ 2CO2+2ATP+H2O.
Figura 3: Seqüência de reações enzimáticas pela fermentação alcoólica de
carboidratos endógenos (glicogênio e trealose) ou exógenos (sacarose e
maltose), conduzida por Saccharomyces cerevisiae (LIMA, 2001).
O objetivo primordial da levedura, ao metabolizar anaerobicamente o açúcar,
é gerar uma forma de energia (ATP, adenosina trifosfato) que será empregada
na realização dos diversos trabalhos fisiológicos (absorção, excreção e
outros) e biossínteses, necessárias à manutenção da vida, crescimento e
multiplicação, para perpetuar a espécie. O etanol e o CO2 resultantes se
constituem, tão somente, de produtos de excreção, sem utilidade metabólica
para a célula em anaerobiose. Entretanto, o etanol, bem como outros
produtos de excreção (como o glicerol e ácidos orgânicos) podem ser
oxidados metabolicamente, gerando mais ATP e biomassa, mas apenas em
condições de aerobiose. (PORTO, 2005)
Ao final da fermentação, em regime descontinúo alimentado, as células
de levedura são separadas do mosto por centrifugação e submetidas a baixos
valores de pH, a fim de eliminar bactérias contaminantes. Esse procedimento
permite a reciclagem de cerca de 80% da massa celular para uma nova
fermentação. (BARROS, 2002, p. 62 – 64)
O mosto fermentado e isento de células, referido como vinho, contendo
teores de etanol na ordem de 10% (p/v), é encaminhado para seção de
tratamento final onde a separação do álcool etílico e de subprodutos é
feita por destilação, processo térmico baseado nos diferentes pontos de
ebulição e pressões de vapor de uma mistura de componentes voláteis.
Dependendo de sua utilização, o etanol pode ser apresentado em graduações
que vão de 96 graus Gay-Lussac (°GL, que corresponde a um percentual
volumétrico de etanol em água) a 99,95°GL. (BARROS, 2002, p. 62 – 64)
2.6.2 Produção de Antibióticos
Do grande número de antibióticos conhecidos de origem microbiana,
somente 123 são produzidos atualmente por fermentação. A penicilina G e a
penicilina V são produzidas utilizando processos submersos em fermentadores
de 40.000 – 200.000 litros. A sua fermentação ocorre por um processo
aeróbico e o inóculo se inicia utilizando esporos liofilizados. Tais
esporos passam por várias etapas de crescimento para preparar o cultivo de
produção. (LIMA, 2001, p. 101 – 122)
Na fermentação típica de penicilina há uma fase de crescimento de
aproximadamente 40 horas, com um tempo de duplicação de 6 horas, durante o
qual se forma a maior parte da massa celular. Depois da fase de
crescimento, o cultivo chega à fase real de produção de penicilina. A
penicilina é excretada no meio de cultivo e menos de 1% permanece unida ao
micélio. Após a separação do micélio por filtração, é realizado a
recuperação do produto por meio de duas etapas de extração contínua em
contracorrente do caldo de fermentação com acetato de amila, de butila ou
metil isobutil cetona. O rendimento é ao redor de 90%. (LIMA, 2001, p. 101
– 122)
A fermentação das cefalosporinas é similar à da penicilina. Utilizam-
se meios complexos como líquido de maceração de milho, extrato de carne,
sacarose, glicose e acetato de amônio. O processo descontínuo alimentado é
usado nas fermentações, com adição semicontínua de nutrientes. (LIMA, 2001,
p. 101 – 122)
2.6.3 Produção de Aminoácidos
Tem-se desenvolvido processos de fermentação para todos os
aminoácidos, exceto para glicocola, L-cisteína e L-cistina, porém nem todos
se encontram em nível comercial de uso. Comercialmente, a produção de
aminoácidos é realizado por processo descontínuo durante 2 – 4 dias em
fermentadores com capacidade de até 450 m3. Ao final do processo utiliza-
se centrifugação para separar o material celular. Os aminoácidos se obtém
mediante precipitação depois da acidificação até o ponto isoelétrico, troca
iônica, eletrodiálise e extração com solventes orgânicos. (LIMA, 2001, p.
155 – 176)
Há uma enorme gama de produtos, além dos que foram citados acima, com
a possibilidade de produção através da fermentação industrial. Dentre eles
podemos citar: produção de ácidos, solventes, vitaminas, polissacáridios,
esteróides, microorganismos, poliésteres bacterianos, bioinseticidas,
inoculantes agrícolas, vacinas, enzimas, etc. (LIMA, 2001)
CONCLUSÃO
O presente trabalho "Fermentações Industriais" foi de grande
contribuição para meu conhecimento sobre o assunto e também muito
interessante, uma vez que, trata-se de um assunto da área de meu interesse
que é a Biotecnologia Industrial e, que só será visto em torno de alguns
anos no curso.
Como idéias de trabalhos futuros para aprofundamento no tema
referido, sugiro um trabalho que aborde uma fermentação em específico, como
por exemplo, o uso da fermentação para obtenção de enzimas.
Referente às dificuldades encontradas durante a execução do trabalho,
a principal foi o problema em encontrar bibliografias (principalmente
livros) mais recentes sobre o assunto. Encontrei muitos livros antigos,
como por exemplo, de 1975, e se tratando de artigos científicos, os mais
recentes já são mais direcionados a estudos específicos de algum tipo de
fermentação e, por esse motivo, as referências deste trabalho são um pouco
escassas. Outra dificuldade foi em função da minha disponibilidade de tempo
disponível, já que atualmente estou fazendo um estágio em um laboratório
bioquímico e, por isso, apenas na parte da noite foi possível pesquisar e
escrever o trabalho.
REFERÊNCIAS
BARROS, N, M; AZEVEDO, J, L; SERAFINI, L, A. Biotecnologia: avanços na
agricultura e na agroindústria. Caxias do Sul – RS: Editora EDUCS, 2002.
BORZANI, W; SCHMIDELL, W; LIMA, U; AQUARONE, E. Biotecnologia industrial:
Fundamentos. São Paulo: E. Blücher, 2001. 1 v.
LEHNINGER, Albert L.; NELSON, David L.; COX, Michael M. Lehninger
princípios de bioquímica. 3. ed. São Paulo: Sarvier, 2002. 975 p.
LIMA, U; AQUARONE, E; BORZANI, W; SCHMIDELL, W. Biotecnologia industrial:
Processos Fermentativos e Enzimáticos. São Paulo: E. Blücher, 2001. 3 v.
PORTO, L, M. Modelagem de processo industrial de fermentação alcoólica
contínua com reatores de mistura ligados em série. Universidade Estadual de
Campinas, Faculdade de Engenharia Química - Departamento de Processos
Biotecnológicos: Campinas –SP, 2005.
RECH, R. Bioengenharia para engenharia química. Universidade Federal do Rio
Grande do Sul, Instituto de Ciências e Tecnologia de Alimentos : Rio Grande
do Sul – RS, 2006. Disponível em:
http://www.enq.ufrgs.br/cursos/grad/BioEng/ITA02003%20poligrafo%202006-2%20-
%20parte%201.pdf. Acesso em: 16 de abril de 2010.
SCHMIDELL, W; LIMA, U; AQUARONE, E; BORZANI, W. Biotecnologia industrial:
Engenharia Bioquímica. São Paulo: E. Blücher, 2001. 2 v.
WARD, O, P. Biotecnologia de la fermentacion. Zaragoza – Espanha: Editorial
ACRIBIA, S. A., 1991.
ANEXOS
Anexo 1. Via Glicolítica.
Fonte: LEHNINGER, 2002.
ANEXOS
Anexo 2. Ciclo de Krebs.
Fonte: LEHNINGER, 2002.
