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INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS
FERMENTATIVOS
Professora: Erika Liz
Características necessárias deCaracterísticas necessárias de
microrganismos para aplicação industrialmicrorganismos para aplicação industrial
Apresentar elevada eficiência na conversão de nutrientes, de
forma a reter elevada concentração do produto desejado no caldo
fermentado
Permitir o acúmulo do produto no meio
Não produzir substâncias incompatíveis com o produto
Ser fisiologicamente constante
Não ser patogênico
Não exigir meio de cultura extremamente complexo
Permitir a rápida liberação do produto para o meio
Obtenção do microorganismo
• Isolamento de
novas linhagens a
partir de frutas,
terra, leite, mofo
de pão, etc...
CULTURA
PURA
• Compra de Linhagens em Coleção de
Cultura
NRRL Culture Collection – USA
http://nrrl.ncaur.usda.gov
Coleção de culturas Tropical - Brasil
http://www.cct.org.br
O meio de cultura
O que é meio de cultura?
Nutrição de microorganismos
• H2O
• Carbono
• Nitrogênio
• Fósforo
• Enxofre
• Oxigênio atmosférico
• Elementos M. (Na, K, Ca, Mg, Fe, Cl, Cu, Zn, Co....)
• Fatores de crescimento
Tipos de meio de cultura
• Meios complexos
• Meios sintéticos
• Meios seletivos
• Meios diferenciais
• Meios Líquidos
• Meios Sólidos
Meio de cultura Microrganismo
Otimização do Processo
Fermentativo
Formação de produtos em
processos fermentativos
• Considerando os processos em que um
produto do metabolismo microbiano é o
composto de interesse, podemos classificar
esses metabólitos em dois tipos:
• Primários
• Secundários
Formação de produtos em processos
fermentativos
• Metabólito primário:
– É aquele que é produzido durante a fase de
crescimento exponencial do microrganismo.
– Um exemplo típico deste tipo de metabólito é a
produção de álcool.
Formação de produtos em processos
fermentativos
• O etanol é um produto do metabolismo anaeróbico de
leveduras e algumas bactérias e é formado como parte do
metabolismo energético. Uma vez que o crescimento só
pode ocorrer se houver produção de energia, a produção
de etanol está associada ao crescimento.
• Outros exemplos: aminoácidos, nucleotídeos, ácidos orgânicos e
enzimas.
Formação de produtos em processos
fermentativos
• Metabólito secundário:
– produzido durante a fase estacionária de crescimento ou
idiofase, ou seja a produção “não associada” ao
crescimento celular.
– Constituem o grupo mais comum e importante dos
metabólitos de interesse industrial.
– Como exemplo clássico podemos citar a produção de
antibióticos.
O sucesso deste processo
depende de 4 pilares
• A escolha do microorganismo
• A escolha do meio de cultura
• A forma de condução do processo
• A recuperação do produto
FERMENTAÇÃO - DORNAS
- São tanques construídos geralmente em aço carbono
com capacidade variável de acordo com a capacidade
do processo.
- Podem ser fechadas ou abertas:
- Abertas: apresentam perda acentuada pois, com a
eliminação do CO2 da fermentação, haverá um arraste
de álcool.
Dornas de Fermentação
• Inóculo, pé de cuba
ou pé de
fermentação – É o
volume de
suspensão de MO de
concentração
adequada capaz de
garantir, em
condições
econômicas, a
fermentação de um
dado volume de
mosto.
Classificação da fermentação
• Quanto ao material a fermentar
–Açúcares – carboidratos
–Celulose
–Pectina
–albumina
Classificação da fermentação
• Quanto ao produto da fermentação
– Alcoólica
– Acética
– Propiônica
– Butírica
– Vitaminas
– Antibióticos
– Glicerina
– Ácido acético
– Acetona
Classificação da fermentação
• Quanto ao agente fermentador
– Leveduras
• Alcoólica, glicerina, vitaminas
– Bactérias
• Láctica, acética, propiônica, acetona
– Fungos (mofo)
• Cítrica, antibióticos, glucônica
Classificação dos processos
fermentativos
• Fermentação descontínua, por batelada ou
processo descontínuo de fermentação;
• Fermentação semicontínua
• Fermentação contínua
• Fermentação descontínua ou batelada
• Fermentação descontínua alimentada
FERMENTAÇÃO - DORNAS
Características deste processo :
Alto custo de instalação e automação;
Alto custo de manutenção;
Baixos rendimentos;
Facilidade no controle microbiológico;
Flexibilidade de operação;
Limpeza das dornas com maior frequência .
Fermentação Descontinua
• Fermentação semi-contínua
FERMENTAÇÃO - DORNAS
Características deste processo :
Existem poucas aplicações desse processo;
Utilizado mais em produções de volumes pequenos
(normalmente bancada);
Possibilidade de operar o fermentador por longos períodos,
sem que seja necessário preparar um novo inoculo;
Possibilidade de aumentar a produtividade do reator
apenas modificando o cronograma de trabalho;
Possibilidade de se conseguir uma produtividade melhor
que o descontínuo, se conhecidas as condições ótimas de
operação.
Fermentação Semi-Continua
FERMENTAÇÃO - DORNAS
CENTRÍFUGA
DESTILAÇÃO
ÁGUAÁCIDO
TRATAMENTO DO FERMENTO
MOSTO
Fermentação Continua
FERMENTAÇÃO - DORNAS
Características deste processo :
• Facilidade e custo baixo de automação;
• Custo baixo de instalação de equipamentos
( menor n°de dornas );
• Difícil controle microbiológico;
• Dificuldade de limpeza das dornas.
Fermentação Continua
FERMENTAÇÃO - DORNAS
Fermentação em meio Sólido
• Microrganismos Utilizados
– Bactérias
• crescem em substratos com elevada atividade de água
Bacillus thuringiensis
bioinseticidas
Zymomonas mobilis
etanol
Acetobacter aceti
vinagre
FERMENTAÇÃO - DORNAS
Fermentação em meio Sólido
• Microrganismos Utilizados
– Leveduras
• crescem em substratos com atividade de água moderada
Saccharomyces cerevisiae
etanol
FERMENTAÇÃO - DORNAS
Fermentação em meio Sólido
• Microrganismos Utilizados
– Bolores
• crescem em substratos com baixa atividade de água
Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, etc.
enzimas
Mucor e Rhizopus
renina
Penicillium
antibióticos
Fusarium e Giberella
ácido giberélico
FERMENTAÇÃO - DORNAS
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
FERMENTAÇÃO - DORNAS
Fermentação em meio Sólido
• 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
FERMENTAÇÃO - DORNAS
Fermentação em meio Sólido
• Controle do Processo
–Umidade
• película de água sobre a superfície da partícula
– difusão nutritiva
• teor mínimo
– 12%
• interfere no crescimento do microrganismo de
processo
• interfere no crescimento de bactérias
contaminantes
FERMENTAÇÃO - DORNAS
Fermentação em meio Sólido
• Controle do Processo
–Atividade de água (Aw)
• água não ligada ao substrato e disponível ao
microorganismo
• fungos
– Aw ≥ 0,7
• leveduras
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• Bactérias
– Aw ≥ 0,9
FERMENTAÇÃO - DORNAS
Fermentação em meio Sólido
• Controle do Processo
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• microorganismos
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• remoção de calor produzido na fermentação
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FERMENTAÇÃO - DORNAS
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
FERMENTAÇÃO - DORNAS
Fermentação em meio Sólido
• Controle do Processo
– Agitação
• velocidade e freqüência
• Homogeneização
– inóculo, umidade, ar, temperatura substrato
– fragmentação do micélio
» crescimento e formação de esporo
FERMENTAÇÃO - DORNAS
Fermentação em meio Sólido
• Controle do Processo
– Aeração
• microorganismos
– anaeróbios, aeróbios, facultativos
• Ar
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  • 2. Características necessárias deCaracterísticas necessárias de microrganismos para aplicação industrialmicrorganismos para aplicação industrial Apresentar elevada eficiência na conversão de nutrientes, de forma a reter elevada concentração do produto desejado no caldo fermentado Permitir o acúmulo do produto no meio Não produzir substâncias incompatíveis com o produto Ser fisiologicamente constante Não ser patogênico Não exigir meio de cultura extremamente complexo Permitir a rápida liberação do produto para o meio
  • 3. Obtenção do microorganismo • Isolamento de novas linhagens a partir de frutas, terra, leite, mofo de pão, etc... CULTURA PURA
  • 4. • Compra de Linhagens em Coleção de Cultura NRRL Culture Collection – USA http://nrrl.ncaur.usda.gov Coleção de culturas Tropical - Brasil http://www.cct.org.br
  • 5. O meio de cultura O que é meio de cultura? Nutrição de microorganismos • H2O • Carbono • Nitrogênio • Fósforo • Enxofre • Oxigênio atmosférico • Elementos M. (Na, K, Ca, Mg, Fe, Cl, Cu, Zn, Co....) • Fatores de crescimento
  • 6. Tipos de meio de cultura • Meios complexos • Meios sintéticos • Meios seletivos • Meios diferenciais • Meios Líquidos • Meios Sólidos
  • 7. Meio de cultura Microrganismo Otimização do Processo Fermentativo
  • 8. Formação de produtos em processos fermentativos • Considerando os processos em que um produto do metabolismo microbiano é o composto de interesse, podemos classificar esses metabólitos em dois tipos: • Primários • Secundários
  • 9. Formação de produtos em processos fermentativos • Metabólito primário: – É aquele que é produzido durante a fase de crescimento exponencial do microrganismo. – Um exemplo típico deste tipo de metabólito é a produção de álcool.
  • 10. Formação de produtos em processos fermentativos • O etanol é um produto do metabolismo anaeróbico de leveduras e algumas bactérias e é formado como parte do metabolismo energético. Uma vez que o crescimento só pode ocorrer se houver produção de energia, a produção de etanol está associada ao crescimento. • Outros exemplos: aminoácidos, nucleotídeos, ácidos orgânicos e enzimas.
  • 11. Formação de produtos em processos fermentativos • Metabólito secundário: – produzido durante a fase estacionária de crescimento ou idiofase, ou seja a produção “não associada” ao crescimento celular. – Constituem o grupo mais comum e importante dos metabólitos de interesse industrial. – Como exemplo clássico podemos citar a produção de antibióticos.
  • 12.
  • 13. O sucesso deste processo depende de 4 pilares • A escolha do microorganismo • A escolha do meio de cultura • A forma de condução do processo • A recuperação do produto
  • 14. FERMENTAÇÃO - DORNAS - São tanques construídos geralmente em aço carbono com capacidade variável de acordo com a capacidade do processo. - Podem ser fechadas ou abertas: - Abertas: apresentam perda acentuada pois, com a eliminação do CO2 da fermentação, haverá um arraste de álcool. Dornas de Fermentação
  • 15. • Inóculo, pé de cuba ou pé de fermentação – É o volume de suspensão de MO de concentração adequada capaz de garantir, em condições econômicas, a fermentação de um dado volume de mosto.
  • 16. Classificação da fermentação • Quanto ao material a fermentar –Açúcares – carboidratos –Celulose –Pectina –albumina
  • 17. Classificação da fermentação • Quanto ao produto da fermentação – Alcoólica – Acética – Propiônica – Butírica – Vitaminas – Antibióticos – Glicerina – Ácido acético – Acetona
  • 18. Classificação da fermentação • Quanto ao agente fermentador – Leveduras • Alcoólica, glicerina, vitaminas – Bactérias • Láctica, acética, propiônica, acetona – Fungos (mofo) • Cítrica, antibióticos, glucônica
  • 19. Classificação dos processos fermentativos • Fermentação descontínua, por batelada ou processo descontínuo de fermentação; • Fermentação semicontínua • Fermentação contínua
  • 22. FERMENTAÇÃO - DORNAS Características deste processo : Alto custo de instalação e automação; Alto custo de manutenção; Baixos rendimentos; Facilidade no controle microbiológico; Flexibilidade de operação; Limpeza das dornas com maior frequência . Fermentação Descontinua
  • 24. FERMENTAÇÃO - DORNAS Características deste processo : Existem poucas aplicações desse processo; Utilizado mais em produções de volumes pequenos (normalmente bancada); Possibilidade de operar o fermentador por longos períodos, sem que seja necessário preparar um novo inoculo; Possibilidade de aumentar a produtividade do reator apenas modificando o cronograma de trabalho; Possibilidade de se conseguir uma produtividade melhor que o descontínuo, se conhecidas as condições ótimas de operação. Fermentação Semi-Continua
  • 26. FERMENTAÇÃO - DORNAS Características deste processo : • Facilidade e custo baixo de automação; • Custo baixo de instalação de equipamentos ( menor n°de dornas ); • Difícil controle microbiológico; • Dificuldade de limpeza das dornas. Fermentação Continua
  • 27. FERMENTAÇÃO - DORNAS Fermentação em meio Sólido • Microrganismos Utilizados – Bactérias • crescem em substratos com elevada atividade de água Bacillus thuringiensis bioinseticidas Zymomonas mobilis etanol Acetobacter aceti vinagre
  • 28. FERMENTAÇÃO - DORNAS Fermentação em meio Sólido • Microrganismos Utilizados – Leveduras • crescem em substratos com atividade de água moderada Saccharomyces cerevisiae etanol
  • 29. FERMENTAÇÃO - DORNAS Fermentação em meio Sólido • Microrganismos Utilizados – Bolores • crescem em substratos com baixa atividade de água Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, etc. enzimas Mucor e Rhizopus renina Penicillium antibióticos Fusarium e Giberella ácido giberélico
  • 30. FERMENTAÇÃO - DORNAS 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
  • 31. FERMENTAÇÃO - DORNAS Fermentação em meio Sólido • 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
  • 32. FERMENTAÇÃO - DORNAS Fermentação em meio Sólido • Controle do Processo –Umidade • película de água sobre a superfície da partícula – difusão nutritiva • teor mínimo – 12% • interfere no crescimento do microrganismo de processo • interfere no crescimento de bactérias contaminantes
  • 33. FERMENTAÇÃO - DORNAS Fermentação em meio Sólido • Controle do Processo –Atividade de água (Aw) • água não ligada ao substrato e disponível ao microorganismo • fungos – Aw ≥ 0,7 • leveduras – Aw ≥ 0,8 • Bactérias – Aw ≥ 0,9
  • 34. FERMENTAÇÃO - DORNAS Fermentação em meio Sólido • Controle do Processo –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
  • 35. FERMENTAÇÃO - DORNAS 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
  • 36. FERMENTAÇÃO - DORNAS Fermentação em meio Sólido • Controle do Processo – Agitação • velocidade e freqüência • Homogeneização – inóculo, umidade, ar, temperatura substrato – fragmentação do micélio » crescimento e formação de esporo
  • 37. FERMENTAÇÃO - DORNAS Fermentação em meio Sólido • Controle do Processo – Aeração • microorganismos – anaeróbios, aeróbios, facultativos • Ar – fluxo de massa (O2 / CO2) e energia • fluxo de ar – espessura da camada de substrato – Estimativa de crescimento – Nutrientes – Características do substrato