Coleção UAB−UFSCarTecnologia das fermentações

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Coleção UAB−UFSCar

Tecnologia das fermentações

Reinaldo Gaspar Bastos Tecnologia Sucroalcooleira

fundamentos de bioprocessos

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Tecnologia das fermentações

fundamentos de bioprocessos

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Coordenador do Curso de Tecnologia Sucroalcooleira

Miguel Antonio Bueno da Costa Reitor

Targino de Araújo Filho Vice-Reitor

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Tecnologia das fermentações

fundamentos de bioprocessos

Reinaldo Gaspar Bastos

2010

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Ficha catalográfica elaborada pelo DePT da Biblioteca Comunitária da UFSCar

B327t

Bastos, Reinaldo Gaspar.

Tecnologia das fermentações : fundamentos de bioprocessos / Reinaldo Gaspar Bastos. -- São Carlos : EdUFSCar, 2010.

162 p. -- (Coleção UAB-UFSCar).

ISBN – 978-85-7600-190-4

1. Biotecnologia. 2. Bioprocessos. 3. Fermentação. 4.

Microbiologia industrial. 5. Enzimologia. I. Título.

CDD – 660.6 (20^a) CDU – 66:577.1 Concepção Pedagógica

Daniel Mill Supervisão

Douglas Henrique Perez Pino Equipe de Revisão Linguística Ana Luiza Menezes Baldin Clarissa Neves Conti Francimeire Leme Coelho Jorge Ialanji Filholini Letícia Moreira Clares Luciana Rugoni Sousa Paula Sayuri Yanagiwara Sara Naime Vidal Vital

Equipe de Editoração Eletrônica

Christhiano Henrique Menezes de Ávila Peres Izis Cavalcanti

Rodrigo Rosalis da Silva Equipe de Ilustração

Jorge Luís Alves de Oliveira Lígia Borba Cerqueira de Oliveira Priscila Martins de Alexandre Capa e Projeto Gráfico

Luís Gustavo Sousa Sguissardi

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APRESENTAÇÃO

. . . .9

UNIDADE 1: Introdução 1 .1 Biomassa microbiana

. . . .21

1 .2 Enzimas microbianas

. . . .22

1 .3 Metabólitos microbianos

. . . .22

1 .4 Produtos recombinantes

. . . .25

1 .5 Biotransformação

. . . .25

1 .6 Microrganismos de interesse industrial

. . . .25

Referências

. . . .27

UNIDADE 2: Metabolismo microbiano e biomoléculas envolvidas 2 .1 Enzimas

. . . .31

2 .2 Metabolismo microbiano

. . . .35

2 .2 .1 Glicólise e Ciclo TCA . . . .37

2 .2 .2 Respiração . . . .40

2 .2 .3 Metabolismo anaeróbio . . . .41

Referências

. . . .43

SUMáRIO

. . . .

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UNIDADE 3: Cinética enzimática

3 .1 Cinética de Michaelis-Menten

. . . .49

3 .2 Determinação dos parâmetros cinéticos

. . . .54

3 .3 Inibição enzimática

. . . .55

3 .3 .1 Inibição enzimática irreversível . . . .56

3 .3 .2 Inibição enzimática reversível . . . .57

3 .3 .2 .1 Inibição enzimática reversível competitiva . . . .57

3 .3 .2 .2 Inibição enzimática reversível não competitiva . . . .59

3 .3 .2 .3 Inibição enzimática reversível incompetitiva . . . .60

3 .3 .2 .4 Inibição enzimática reversível pelo substrato . . . .62

3 .4 Efeito da temperatura na atividade enzimática

. . . .63

3 .5 Efeito do pH na atividade enzimática

. . . .66

Referências

. . . .67

UNIDADE 4: Balanços elementares em processos biotecnológicos 4 .1 Balanços materiais

. . . .71

4 .2 Os bioprocessos podem ser conduzidos em:

. . . .71

4 .3 Estequiometria dos processos microbiológicos

. . . .77

4 .4 Grau de redução dos substratos

. . . .79

Referências

. . . .81

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UNIDADE 5: Cinética dos processos biotecnológicos

5 .1 Parâmetros cinéticos

. . . .86

5 .2 Fases de crescimento celular

. . . .92

5 .3 Cinética de Monod

. . . .95

5 .4 Modelos de crescimento celular

. . . .97

5 .5 Influência de parâmetros físico-químicos no crescimento celular

. . . .99

Referências

. . . .101

UNIDADE 6: Operações unitárias dos processos fermentativos 6 .1 Esterilização

. . . .109

6 .2 Agitação e mistura

. . . .114

6 .2 .1 Transferência de oxigênio . . . .115

6 .2 .2 Agitação mecânica sem aeração . . . .121

Referências

. . . .123

UNIDADE 7: Biorreatores 7 .1 Biorreatores de mistura

. . . .127

7 .2 Biorreatores de mistura contínuos

. . . .131

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7 .3 Biorreatores tubulares

. . . .133

7 .4 Configurações de biorreatores

. . . .135

7 .5 Aumento de escala de biorreatores

. . . .138

7 .5 .1 Método da constância da potência por unidade de volume de meio . . . .140

7 .5 .2 Método da constância do coeficiente global de transferência de oxigênio . . . .140

7 .5 .3 Método da constância da velocidade na extremidade do impelidor . . . .141

7 .5 .4 Método da constância do tempo de mistura . . . .141

7 .5 .5 Método da constância do Número de Reynolds . . . .142

7 .5 .6 Escolha do critério de scale-up . . . .142

Referências

. . . .142

UNIDADE 8: Purificação de biomoléculas 8 .1 Rompimento celular

. . . .149

8 .2 Filtração e centrifugação

. . . .150

8 .3 Purificação baseada na solubilidade

. . . .152

8 .4 Extração em sistemas de duas fases aquosas

. . . .156

8 .5 Cromatografia

. . . .157

8 .6 Tratamentos finais

. . . .158

Referências

. . . .160

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9

APRESENTAÇÃO

O principal objetivo deste livro é apresentar os princípios da engenharia de bioprocessos e da biotecnologia industrial, de forma prática, acessível e condensada.

Apesar da ocorrência de excelentes referências sobre bioprocessos em in- glês, são escassas as bibliografias em português que abordem esse tema. Sendo assim, esta revisão tem a proposta de atenuar esse problema encontrado em cur- sos que abordem as áreas de bioquímica industrial.

De maneira didática procurou-se classificar esse amplo assunto em oito Unidades. No início são apresentados os conceitos fundamentais, com a defini- ção dos termos que serão usados amplamente durante a leitura do texto. A seguir, procurou-se apresentar os principais modelos metabólicos utilizados por microrganismos de interesse industrial. É importante salientar que o leitor interessado em aprofundar os conhecimentos em metabolismo celular e bioenergética, por exemplo, deve procurar as referências listadas no final de cada Unidade.

Na sequência do texto analisamos os processos enzimáticos e microbiológi- cos por meio da estequiometria e balanços elementares. Um ponto fundamental no estudo dos bioprocessos é a cinética das reações, abordada com a definição dos parâmetros mais importantes e exemplo de casos. Por fim, comentamos sobre as principais operações unitárias utilizadas nos bioprocessos, incluindo os princípios da purificação de biomoléculas.

O autor espera que o texto seja o primeiro passo, ou seja, um agradável im- pulso inicial para que o leitor se interesse pelo assunto devido à facilidade de leitura e procure aprimorar seus estudos nesta área.

Prof. Dr. Reinaldo Gaspar Bastos DTAiSER/CCA/UFSCar