CLASSIFICAÇÃO DOS ORGANISMOS CELULARES

Texto

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ORGANISMOS CELULARES ORGANISMOS CELULARES

EUCARIÓTICOS EUCARIÓTICOS

PROCARIÓTICOS PROCARIÓTICOS Monera

Monera ou bacteriasou bacterias MULTICELULAR

MULTICELULAR UNICELULARUNICELULAR Protista

Protista ou protozoaou protozoa e algas unicelulares e algas unicelulares

FOTOSSINTÉTICOS FOTOSSINTÉTICOS Plantae

Plantae ou plantasou plantas ABSORTIVOSABSORTIVOS Fungi

Fungi ou fungosou fungos

INGESTIVOS INGESTIVOS Animalia

Animalia ou animaisou animais

CLASSIFICAÇÃO DOS ORGANISMOS CELULARES CLASSIFICAÇÃO DOS ORGANISMOS CELULARES

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FOTOSSINTÉTICOS

captam a luz para converter CO2 e H20 em O2 e açúcares

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ABSORTIVOS

ABSORTIVOS: captam nutrientes químicos dissolvidos em solução aquosa ABSORTIVOS: captam nutrientes químicos dissolvidos em solução aquosa

(fungos e leveduras) (fungos e leveduras)

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INGESTIVOS

INGESTIVOS: captam partículas não dissolvidas (animais)

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ESQUEMA GERAL DE UM PROCESSO FERMENTATIVO

microrganismo

Inóculo Laboratório

Inóculo Industrial

Ar

Compressor Esterilização do Ar

Biorreator Industrial

Matérias-primas

Esterilização Meio de cultura

Células

Caldo fermentado Recuperação Produto

Separação das células

Produto Tratamento efluentes

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Crescimento Microbiano

Aumento em tamanho da população

Aumento no número de células

Aumento da massa celular

Duplicação

Fissão binária

Tempo de geração

Curva do crescimento microbiano

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Crescimento Microbiano

Fonte de carbono

Energia

Aceptor de elétrons

Doador de elétrons

H2O

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Crescimento Microbiano

Nutrientes orgânicos: aminoácidos, vitaminas, purinas e pirimidinas

Nutrientes inorgânicos: macro e micro

Condições ambientais: pH, temperatura, potencial hídrico, condutividade, pressão, potencial redox, superfície para crescimento

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Grupos nutricionais

Fotoautotróficos: luz é energia para sintetizar ATP, e CO2 é fonte de C para sintetizar compostos orgânicos (bactérias fotossintéticas,

cianobactérias, algas, etc.)

Fotoheterotróficos: luz é energia para sintetizar ATP, mas o C é obtido em formas orgânicas mais complexas

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Grupos nutricionais

Quimioautotróficos: energia obtida pela oxidação de compostos

inorgânicos como H2S, NH3, e Fe2+, e CO2 como fonte de C (bactérias que oxidam S, bactérias nitrificadoras, bactérias que oxidam H2,

bactérias que oxidam Fe)

Quimioheterotróficos: energia e C obtidos de moléculas orgânicas complexas

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Fatores que afetam o crescimento

Fatores químicos:

pH:

neutrófilos – pH ≈ 7.0

acidófilos – pH < 7.0

alcalófilos – pH > 7.0

Importância:

Atividade enzimática

Conformação protéica

Disponibilidade de metais e elementos orgânicos

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Fatores que afetam o crescimento

Fatores químicos:

O2:

Aeróbicos obrigatórios

Anaeróbicos obrigatórios

Anaeróbicos facultativos

Microaerófilos

Aerotolerantes

Importância:

Respiração

Reações de óxido-redução

Atividade enzimática

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aeróbios anaeróbios anaeróbios microaerófilos anaeróbios obrigatórios obrigatórios facultativos aerotolerantes

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Fatores que afetam o crescimento

Fatores químicos:

Capacidade de troca de íons:

Importância:

Disponibilidade de nutrientes

Ligações substrato-microrganismo

Defesa

Atração de íons

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Fatores que afetam o crescimento

Fatores físicos:

Temperatura:

Psicrófilos: - 5 C a 20 C

Mesófilos: 20 C a 50 C

Termófilos: 50 C a 80 C

Termófilos extremos: acima de 80 C

Importância:

Respostas enzimáticas

Respostas a choques térmicos

Razão de crescimento

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Fontes de Microrganismos

• Os microrganismos de Interesse Industrial pode ser obtidos:

• Isolamento de recursos naturais: (solo, água, plantas, etc);

• Compra em coleções de cultura: (Agricultural Research Service Culture Collection (EUA), Coleção de Cultura Tropical (Campinas);

• Obtenção de mutantes naturais;

• Obtenção de mutantes induzidas por métodos convencionais;

• Obtenção de microrganismos recombinantes. 17

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Características Desejáveis do Microganismo

• Os microrganismos de Interesse Industrial devem:

• Apresentar elevada eficiência na conversão do substrato em produto;

• Permitir o acúmulo do produto no meio, de forma a ser elevada concentração do produto no caldo fermentado;

• Não produzir substâncias imcompatíveis com o produto;

• Apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico;

• Não ser patogênico;

• Não exigir condições de processo muito complexas;

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Características Desejáveis do Microganismo

• Exemplo da Fermentação Alcoólica:

• C

6

H

12

O

6

2C

2

H

5

OH + 2CO

2

Fator estequiométrico teórico=0,511

Cada grama de glicose é convertida em 0,511g de etanol Saccharomyces cerevisiae, alcança 90% deste rendimento,

enquanto outros microrganimos produzem etanol, mas com rendimentos muito inferiores;

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Características Desejáveis do Microganismo

• Exemplo da Fermentação Alcoólica:

• C

6

H

12

O

6

2C

2

H

5

OH + 2CO

2

Por outro lado, sabe-se que quando se atinge 8 à 10% em volume de álcool no meio, ocorre inibição da levedura e diminui a velocidade de conversão de açúcar em álcool.

Portanto no caso de obtenção de álcool combustível, deve-se trabalhar com valores que não ultrapassem esta concentração alcoólica.

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Características Desejáveis do Microganismo

• Exemplo da produção de enzimas ou antibióticos:

• Açúcar + O2 Células + CO2 + Produtos + Intermediários Oxigênio, faz com que aumente consideravelmente a produção

de células, enquanto pequena quantidade do produto é obtida.

A matéria-prima é barata, mas a recuperação do produto é

onerosa, chegando a 70% do valor do custo, porém o produto tem maior valor agregado.

Portanto, buscar microrganismo, que cresçam menos, ou que acumulem menos intermediários, podem diminuir o custo do processo.

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Características Desejáveis do Microganismo

• Exemplo da produção de glicoamilase por Aspergillus:

• Glicoamilase, enzima que hidrolisa amidos em glicose;

• Transglicosidase, enzima que polimeriza a glicose formando amido;

• Um microrganismo ideal, seria aquele que produz o mínimo de substâncias competitivas, ao mesmo tempo sintetize muito bem o produto pretendido.

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Características Desejáveis do Meio de Cultivo

• Ser o mais barato possível;

• Atender as necessidades nutricionais do microrganismo;

• Auxiliar no controle do processo, como é o caso de ser

ligeiramente tamponado, o que evita variações drásticas de pH, ou evitar excessiva formação de espuma;

• Não provocar problemas na recuperação do produto;

• Os componentes devem permitir algum tempo de

armazenamento, a fim de estarem disponíveis para o uso a qualquer tempo;

• Ter composição razoavelmente fixa;

• Não causar dificuldades no tratamento final do efluente. 23

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Meio de Cultivo

• Os microrganismos utilizam:

• Fonte de carbono e energia, diversos açúcares, como glicose, sacarose, frutose, polissacarideos como amido e celulose;

• Fonte de nitrogênio: sais como (NH4+)2SO4, (NH4)2HPO4, aminoácidos e uréia;

• Fonte de fósforo: Monoamônio fosfato ou Diamônio fosfato;

• Outros elementos: Na, K, Ca, Fe, Cu, Mg, Mn, Co, etc. em concentrações bem reduzidas, porém necessárias.

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SUBSTRATOS

Monossacarídeos (glicose, frutose, galactose, manose, ribose, xilose, arabinose)

Dissacarídeos:

Sacarose (glicose + frutose)

Lactose (galactose + glicose)

Maltose (glicose + glicose)

Trissacarídeos:

Rafinose (glicose + frutose + galactose)

Maltotriose (glicose + glicose + glicose)

Polímeros de alto peso molecular:

Amido (amilose + amilopectina)

Amilose: cadeia linear de glicose ligações alfa 1-4

Amilopectina: cadeia ramificada com ligações alfa 1-4 e alfa 1-6

Celulose: polímero de glicose em ligações beta 1-4

Glicogênio: polímero de glicose com ligações alfa 1-4 e alfa 1-6

Pectina: polímero de ácidos galacturônico, raminose, arabinose e galactose

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Perfil de Utilização de

Fontes de Carbono

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Meio de Cultivo

• Meios de cultivo preparados com fatores de crescimento:

• aminoácidos;

• Vitaminas (biotina, tiamina, riboflavina, etc.);

• Extratos de leveduras, extratos de malte, extratos de carne, peptona, hidrolisados de proteínas;

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Meio de Cultivo

• Meios mais complexos e menos onerosos, por esta razão empregados na maioria dos processos fermentativos em grande escala:

• Caldo de cana-de-açúcar;

• Melaço,

• Cereais (trigo, milho, cevada, soja);

• Frutas (uvas, jaboticabas, laranjas, bananas)

• Estas matérias-primas são de composição química

desconhecidas, mas os teores de açúcares, nitrogênio e

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Considerações Finais

• A definição adequada do microrganismo a ser

empregado, assim como do meio de cultura para este microganismo, 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;

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Considerações Finais

• Em alguns casos o emprego de microrganismos disponíveis em coleções de cultura pode levar ao

desenvolvimento de processos produtivos que sejam atraentes;

• É necessário lembrar, no entanto, que presentemente se dispõem de muitos recursos para o aprimoramento de linhagens produtivas, o que torna os processos

fermentativos cada vez mais promissores;

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Considerações Finais

• Essas considerações trazem também um importante alerta sobre a constante necessidade de

desenvolvimento do processo produtivo já instalado, justamente por essa grande variedade de

desenvolvimentos possíveis;

• Presentemente e bastante dificial imaginar que uma dada empresa disponha do microrganimso “ótimo” ou do meio de cultura “otimizado”;

• É da mais alta importância que essa empresa continue a busca por melhores condições, em termos de

microrganismos e de meio, caso contrário, poderá ser ultrapassada pela concorrente. 31

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ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS

• ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS DE FERMENTAÇÃO POR AQUECIMENTO A VAPOR

• MUITOS PROCESSOS FERMENTATIVOS EXISTEM A PRESENÇA DE MICORRGANISMOS ESTRANHOS

“CONTAMINANTES”;

• EXEMPLO:

• 1. PINICILINA OS CONTAMINANTES PODEM PRODUZIR PENICILINASE;

• 2. FERMENTAÇÃO ACETONA-BUTANÓLICA, A BACTÉRIA PODE SER DESTRUÍDA POR VIRUS BACTERIÓFAGOS;

• OS CONTAMINANTES CONSOMEM AÇÚCARES E

NUTRIENTES, COMPETINDO COM OS MICRORGANISMOS DE INTERESSE.

• O GRAU DE ELIMINTAÇÃO DOS CONTAMINANTES DEPENDE

DE CADA CASO. 32

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ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS

• PROCESSOS DE ESTERILIZAÇÃO POR AQUECIMENTO

• PROCESSOS DESCONTÍNUO:

• O MEIO É COLOCADO NO FERMENTADOR E ENTÃO TODO O SISTEMA É AQUECIDO COM VAPOR. ESTERILIZA-SE O MEIO E O FEMENTADOR AO MESMO TEMPO, PODENDO SER POR VAPOR DIRETO OU INDIRETO;

• O AQUECIMENTO COM VAPOR DIRETO, PROVOCA DILUIÇÃO DO MEIO ENTRE 10 E 15%;

• A ESTERILIZAÇÃO DESCONTÍNUCA TEM AS SEGUINTES FASES:

• 1. AQUECIMENTO: elevação da temperatura próximo de 120 oc;

• 2. ESTERILIZAÇÃO: temperatura é mantida constante durante o tempo de esterilização;

• 3. RESFRIAMENTO: refrigera-se o sistema por serpentina ou pela

camisa do fermentador. 33

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ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS

PROCESSOS DE ESTERILIZAÇÃO POR AQUECIMENTO

A DESTRUIÇÃO TÉRMICA DOS MICRORGANISMOS

OCORREM QUANDO A TEMPERATURA ESTÁ ACIMA DA TEMPERATURA MÍNIMA LETAL (80 A 100 oC).

• DESVANTAGENS DA ESTERILIZAÇÃO DESCONTÍNUA:

a) Manutenção do meio em teperaturas relativamente altas por períodos longos, favorecendo o

desenvolvimento de reações químicas e decomposição de nutrientes;

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ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS

• DESVANTAGENS DA ESTERILIZAÇÃO DESCONTÍNUA:

a) Elevados consumos de vapores no aquecimento e de água no resfriamento;

c) Problemas de corrosão nos equipamentos;

d) Tempo não produtivo relativamente elevados,

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ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS

• ESTERILIZAÇÃO CONTÍNUA:

• Pode ser por vapor direto ou indireto também.

O meio preparado é bombeado para um trocador de calor de placas ou tubos,

A temperatura sobe instantâneamente e mantida por um determinado tempo de residência;

O meio é enviado para outro trocador de calor para o resfriamento;

O meio é enviado para um fermentador, já esterilizado;

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ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS

• ESTERILIZAÇÃO CONTÍNUA:

• ALGUNS VALORES NUMÉRICOS DE ESTERILIZAÇÃO CONTÍNUA

• a) vapor de aquecimento: vapor saturado (6,8 a 8,5 atm

• b) bombas de recalque do mosto não esterilizado podem ser bombas centrífugas, rotativas ou de pistão;

• c) tempo de enchimento do fermentador: não superior a 8 hs;

• d) temperatura de esterilização: 130 A 165 oC;37

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ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS

• VANTAGENS DA ESTERILIZAÇÃO CONTÍNUA:

• Temperaturas mais altas, porém tempos de

permanência entre 5 e 10 minutos, o que diminui a destruição dos nutrientes melhorando a

fermentação;

• Meios com densidade ou viscosidade altas, como mostos de cereais, o processo contínuo dispensa motores de potencia elevada, o que seria

necessário no caso do processo descontínuo;

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ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS

• VANTAGENS DA ESTERILIZAÇÃO CONTÍNUA:

• Economia de vapor, de água de resfriamento;

• Os esterilizadores podem ser utilizados nos

processos de cozimentos e de sacarificação

;

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ESTERILIZAÇÃO DE MEIOS

• CINÉTICA DA DESTRUIÇÃO TÉRMICA DOS MICRORGANISMOS:

• A VELOCIDADE DE DESTRUIÇÃO DEPENDE:

• a) dos microrganismos

• b) do meio

• c) da temperatura

• Do ponto vista cinético a destruição é dada pela equação de primeira ordem:

• onde: N= número de mo vivos

dN

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Referências

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