Processos de Fermentação em Escala Industrial

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Prof. Ma. Celina Martins Decol
Engenharia Bioquímica – 2018/1
Conversão de uma substância em outra, através de metabolismo
microbiano, ou seja, através de uma sequência de reações
catalisadas por enzimas.
Catalisador biológico de natureza
proteica, elaborado por seres
vivos, de altíssima especificidade e
estável em faixas restritas de pH
controle 
rigoroso
A presença das enzimas, ou seja, o catalisador sendo produzido in
loco pelo ser vivo é o que difere a Engenharia Bioquímica da
Engenharia Química.
Metabolismo
reações
degradativas assimilativas
energia
produtos menores, de estrutura 
mais simples que o substrato 
original
produtos de
estrutura mais complexa do que 
o substratooriginal
NUTRIENTES
crescimento e 
reprodução do micro-
organismo
absorvidos pelo micro-
organismo por 
diferença de 
concentração
Meio de cultura EXCRETA
Produto final ou intermediário que se acumula no
interior da célula e depois é excretado para o meio
Extracelulares: Produtos de catabolismo (etanol e o ácido 
lático)
intracelulares: macromoléculas, Produtos de anabolismo 
(pigmentos carotenóides e invertase)
Substrato 
principal
fonte de carbono
NUTRIÇÃO 
HOLOFÍTICA
nutriente só é 
absorvido se for 
previamente dissolvido 
em água
característica dos
microrganismos de 
interesse industrial
Processo Fermentativo Genérico
inoculação de um micro-organismo num meio adequado para o seu
crescimento e/ou formação do produto desejado, submetido a condições
ambientais propícias
agente da fermentação
cultura pura, é adaptada às 
condições do processo
Preparo do Inóculo
suspensão de micro-
organismos suficientemente
concentrada para garantir
a fermentação de um dado
volume de meio de cultivo
Fase laboratorial
Fase industrial
Preparo do Inóculo
obtenção do inóculo ideal tanto em 
volume, concentração e idade (fase 
logarítmica)
Bactérias e leveduras: contagem em placas ou por densidade ótica
Bolores e actinomicetos: peso seco
Controle do Inóculo Recuperação do Inóculo
Processos Fermentativos 
/Bioprocessos agentes biológicos
tratamento da 
matéria-prima/ 
resíduo
preparo dos 
meios
esterilização transformação do 
substrato em 
produto(s)
separação e 
purificação de 
produto(s)
estágios 
à montante (upstream) transformação 
propriamente dita 
à jusante (downstream)
Tratamento da matéria-prima Preparo de 
meio; Esterilização
‘upstream process’
Separação de células
Separação/purificação de produto
‘downstream process’ 
[Fenômenos físicos]
[Fenômenos químicos]
[Fenômenos biológicos]
[Condições ambientais ótimas]
[Meio de cultivo]
[Agente de fermentação]
(A) processo de metabolismo anaeróbico de produção de energia em que os microrganismos oxidam
parcialmente o substrato, atuando sobre um ou mais componentes, gerando produtos
modificados.
(B) processo metabólico onde o substrato orgânico atua como doador e como receptor final de
elétrons, mas sem a utilização de uma cadeia respiratória.
Fermentação
qualquer processo de cultivo microbiológico que ocorre com ou sem ar 
(*) forma de reoxidar as coenzimas reduzidas NADH e NADPH formados durante a glicólise,
mantendo o balanço de redução-oxidação dentro da célula. Os elétrons são transferidos para
um composto orgânico, fornecendo NAD+ e NADP+ suficientes para a continuação da glicólise.
(**) Durante a fermentação, um mesmo composto orgânico pode sofrer uma oxidação ou 
redução dependendo do micro-organismo. 
ácido pirúvico
ácido acético
ácido Lático
bi
o
q
u
ím
ic
a
processo de metabolismo anaeróbico de produção de energia em que os
microrganismos oxidam parcialmente o substrato, atuando sobre um ou mais
componentes, gerando produtos modificados.
conduzido por micro-organismos de múltiplas habilidades metabólicas que podem alterar a estequiometria da
fermentação em resposta a alterações do meio, com grande impacto no rendimento do processo.
leveduras são os microrganismos mais importantes na fermentação industrial
No processo fermentativo, as condições do meio sofrem “n” influências e precauções devem ser tomadas para
preservar o caldo nas melhores condições físicas e químicas possíveis, para que favoreçam os
microrganismos, resultando em conversões elevadas de substrato em produto.
Saccharomyces - ampla aplicação na indústria de biotecnologia).
quebra do substrato (glicose)  “glicólise” ou via de Embden-Meyerhof
Metabolismo microbiano durante o processo
fermentativo
glicose piruvato
ATP NADH
fase preparatória 
quebra do substrato (glicose)  “glicólise” ou via de Embden-Meyerhof
Metabolismo microbiano durante o processo
fermentativo
glicose piruvato
ATP NADH
fase de pagamento
quebra do substrato (glicose)  “glicólise” ou via de Embden-Meyerhof
Metabolismo microbiano durante o processo
fermentativo
glicose piruvato
ATP NADH
Chave para o metabolismo
ácido lático, etanol, acetona, butanol e ácido
acético
CO2 e 
NADH
aero
biose
anaero
biose
* Reações em que há reoxidação de NADH 
Fermentações em larga escala
Tanque: fermentador, biorreator, dorna
Qualquer processo microbiano em larga escala
A aeração em fermentadores nos processos aeróbicos é fundamental para o desempenho do
processo.
Implantação de serpentinas em dornas de grande volume para garantir a distribuição homogênea
da temperatura.
Fermentações em larga escala
Controle e monitoramento
Produção do composto de interesse
Parâmetros ambientais
Crescimento microbiano
Temperatura
Ph
[ o2 ]
Massa celular
Teor de nutrientes essenciais
Tempo real
Fermentação etanólica
et
a
n
o
l (a) via destilatória
(b) via sintética (hidrocarbonetos não saturados e de gases de petróleo)
(c) via fermentativa. 
C6H12O6  2 CH3CH2OH + 2 CO2 ΔG=-56000 cal/mol
(A) natureza microbiana  fermentação em condições anaeróbias
(B) presença de O2 no meio 
Lu
is
Pa
st
eu
r 
(i) culturas quimioestáticas
(ii) quando a concentração de substrato limita o crescimento, OU
(iii) quando o cultivo é feito na ausência de fontes de nitrogênio
(1) INIBIÇÃO DA formação de etanol
(2) DIMINUIÇÃO DOconsumo de açúcar pela levedura
(3) AUMENTO Do crescimento celular
Efeito
 
Pa
steu
r
As leveduras podem consumir além da glucose outros açúcares, como manose
e galactose
MANOSE
MANOSE 6 
FOSFATO
FRUTOSE 6 
FOSFATO
GALACTOSE GALACTOSE-1-FOSFATO
podem ser utilizados açúcares exógenos (maltose e sacarose), e endógenos (glicogênio e trealose)
formação de produtos secundários através de outras vias metabólicas realizadas para a o
crescimento celular e produção de biomassa.
95% dos açúcares metabolizados  etanol e CO2.
5%  glicerol, ácidos orgânicos (succínico, acético e pirúvico),
álcoois superiores, acetaldeído, acetoína, butilenoglicol,
entre outros
Saccharomyces cerevisiae, S. ellipsoideus, S. carlbergensis , S. warum (Leveduras) e Zymomonas
mobilis (bactérias)
Fermentação etanólica
Fermentação lática
produto principal : ácido láctico
Produtos secundários: ácido butírico, álcool e manitol, em proporções 
variáveis
bactérias homofermentativos (Lactobacillus delbrueckii, L. bulgaricus, L. pentosus, L. casei, L.
leichmannii, Streptococcus lactis), leveduras, ficomicetos, e também algumas algas.
A fermentação ocorre em temperaturas relativamente altas e dependerá do micro-0rganismo
(A) Lactobacillus delbrueckii  45ºC; 
(B) L. bulgaricus  45-50ºC; 
(C) L. pentosus, L. casei, e Streptococcus lactis  30ºC