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Docente: Prof. José Roberto Tavares
Discente: Giullyanno de O. Felisberto
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
Cuiabá – MT
Julho/2014
• Fermentação em estado sólido, fermentação em
substrato sólido ou simplesmente fermentação semi-
sólida, são nomes dados a um desenvolvimento
microbiano que pode ser, se houver um controle do
processo, uma ferramenta potencialmente interessante
na obtenção de diversos produtos, tais como enzimas,
biomassa microbiana, inóculos, além de alimentos,
medicamentos e pigmentos.
2
• Definições para uma fermentação em estado sólido
concordam que o substrato não tem de ser
necessariamente sólido, porém deve conter uma matriz
sólida inerte.
• “Processos que referem-se a cultura de microrganismos
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 assegure o crescimento e
metabolismo das células e não exceda à máxima
capacidade de ligação da água com a matriz sólida”
3
• A ocorrência da fermentação em estado sólido é mais
antiga que o próprio homem, sendo muito difícil de
precisar o surgimento desta prática pela atividade
humana. Sabe-se que várias formas de alimentos
utilizando esse processo microbiano fazem parte da
dieta de diversos povos há muitos séculos.
• Por exemplo a produção de molho de soja em 1000 a.c.
na China. E do queijo roquefort em 100 d.c. no Ocidente.
4
• Durante a Segunda Guerra Mundial, para agilizar o
processo de penicilina, houve o desenvolvimento de
fermentadores para processos envolvendo fermentação
em fase liquida em maior escala, deixando os processos
em estado sólido de lado no Ocidente.
• No Japão, contudo, o processo tradicional, foi sendo
aperfeiçoado. Projetaram-se incubadoras automatizadas,
agitação controlada, linhagens mutantes melhoradas,
etc. Enquanto que nos países do Ocidente estudos vem
sendo realizados para obtenção de bioprodutos quase
totalmente em nível laboratorial.
5
• Aspergillus oryzae (koji-kin)  soja, arroz
cozido  shoyu, sake, chiang/miso.
6
• Rhizopus oligosporus  base de trigo e soja
 tempeh
7
• Rhizopus oryzae e bactérias: Lactobacillus casei,
Lactobacillus helvecticus e Streptococcus
thermophilus  solução de glicose e carbonato de
cálcio embebecendo bagaço de cana de açúcar 
ácido lático
8
• Fusarium graminearum, Gibberella fujikuroi
 farelo de trigo  ácido giberélico
9
• Aspergillus niger
•  sabugo de milho, melaço, bagaço de cana  ácido
cítrico
•  solução de glicose umedecendo bagaço de cana 
ácido lático
10
• Aspergillus niger
•  farelo de trigo  α-galactosidase
•  resíduo fibroso de processamento de mandioca,
pectina mais sacarose pectinase*
11
• Trichoderma reesei, Trichoderma viride, Penicillium
citrinum, Penicillium chrysogenum e Fusarium
oxysporum  palha de trigo, cascas de arroz, fibra
de coco celulase*
12
• Aspergillus carbonarius  farinha de canola  fitase
13
• Bacillus thuringiensis, Bacillus coagulans, Bacillus
megaterium, Bacillus licheniformis  farelo de trigo
 α-amilase
14
• Penicillium chrysogenum  bagaço de cana
penicilina*
15
• Bacillus subtilis  farelo de trigo  iturina*
16
• Beauveria brongniartii  grãos de milho 
biopesticida
• Stilbella aciculosa  farelo de trigo  biopesticida
• Bacillus thuringiensis  resíduos de mandioca 
biopesticida*
17
• Zymomonas mobilis, Saccharomyces cerevisiae
cana de açúcar, beterraba, milho, cevada, amido
álcool etílico
18
• Matriz sólida  partículas de argila
• O substrato ou a matriz sólida deve ter algumas
características que possibilitem o maior rendimento do
processo. A principal peculiaridade é o alto grau de
acessibilidade do microrganismo a todo o meio e, para
tanto, de suas características mais importantes
destacam-se a porosidade, o tamanho e o formato das
partículas.
19
• O substrato necessita de um pré-tratamento para se
adequar às condições necessárias do microrganismo
para crescer e produzir:
• Esmagamento, quebra, moagem e peneiramento,
visando adequar o meio à granulometria adequada do
processo;
• Suplementação de nutrientes e correção de pH, para
suprir a falta de algum nutriente e dar melhores
condições ao microrganismo;
• Hidrólise ácida ou alcalina de material celulósico,
visando facilitar a atuação enzimática;
• Embebição, para regular o teor de umidade inicial do
processo. 20
• A forma empregada em praticamente todos os estudos diz
respeito ao processo em batelada no qual o meio é
adicionado ao reator, ocorrendo a inoculação do substrato e a
incubação do mesmo por um determinado período de tempo.
• A seguir, o produto obtido pode ser extraído por suspensão
do meio com água, soluções-tampão ou solventes (como no
caso de enzimas, ácidos, álcool) ou simplesmente secado e
armazenado (produção de biopesticidas).
• Outros modos de condução do processo são citados, tais
como:
• Fermentação semicontínua na obtenção de ácido cítrico;
• Fermentação por batelada alimentada na obtenção de ácido
giberélico;
• Fermentação contínua para a produção de enzimas fúngicas.
21
• Tipos de Reatores
• Reatores de vidro: Logicamente, por ser um processo ainda
não muito difundido, quando se fala em fermentação ém
estado sólido deve-se pensar antes de tudo em pesquisas
que são realizadas, em nível de laboratório.
• frasco de Fernbach, garrafa de cultura, tubular vertical,
erlenmeyer de 250 mL e de 2800 mL.
• Os frascos de Fernbach e as garrafas de cultura são muito
utilizados, inclusive a nível industrial na produção de esporos,
devido a ampla área superficial entre o substrato e a
atmosfera.
22
• Tipos de Reatores
• Bandejas: Podem ter fundo inteiriço ou serem
perfuradas. A disposição das bandejas deve ter local
apropriado, podendo ser utilizadas em salas com
estantes e circulação de ar natural ou forçada, passando
antes por umidificadores.
23
• Tipos de Reatores
• Tanques circulares: consiste de dois tanques rotatórios
de 7 m de diâmetro, com um agitador helicoidal, dentro
de uma câmara de condições controladas.
• Podem ser processados, a cada batelada, cerca de 2 a 3
toneladas de meio de cultura, com alimentação,
esterilização, inoculação e retirada do produto realizados
automaticamente.
24
• Tipos de Reatores
• Esteira rolante: este sistema é uma variante do
fermentador de bandejas. As etapas de inoculação e
incubação do material são realizadas em longas esteiras
de fundo perfurado por onde circula o ar úmido.
25
• Tipos de Reatores
• Tubular horizontal (Tambor rotativo): o substrato é
esterilizado e resfriado diretamente no tambor. A rotação
do reator pode variar de 1 até 180 rpm.
26
• Tipos de Reatores
• Tubular vertical (fermentador tipo coluna): muito
utilizado em pesquisas. Podem ser construídos de vidro
ou aço inox, com dimensões de 2 a 40 cm de diâmetro
por 20 a 180 cm de altura, permitindo uma capacidade
entre 8 a 10 kg por batelada.
27
• O controle da umidade, da temperatura e do pH do meio,
a velocidade e a frequência de agitação, as condições de
transferência de oxigênio e de nutrientes, as
características do substrato, além das características e
estimativa de crescimento e da automação do processo
são os parâmetros mais frequentes analisados em
diversos estudos revistos.
28
• Umidade
• Um substrato propriamente umedecido deve ter um filme
superficial de água visando facilitar a dissolução e a
transferência de massa de nutrientes e de oxigênio.
• Se o nível de umidade for elevado, implicará no
decréscimo de porosidade do substrato, menor difusão
de oxigênio. Se o nível de umidade for inferior ao
necessário, haverá maior dificuldade na difusão de
nutrientes, menor crescimento e menor produção.
29
• Atividade de água
• A quantidade de água não ligada viável à disposição dos
microrganismos. Influencia no desenvolvimento
microbiano e os processos bioquímicos. Assim, cada
microrganismo tem um nível de atividade de água
mínimo para efetuar suas atividades metabólicas.
• Temperatura
• Como a temperatura afeta diretamente a germinação dos
esporos, o crescimento e a esporulação dos
microrganismos e a formação de produto, o calor
produzido deverá ser imediatamente dissipado.
30
• pH
• O Controle do pH durante a fermentação em estado
sólido, dificilmente será conseguido devido à
heterogeneidade e à consistência do material. Como
tentativa de amenizar o efeito de uma variação brusca,
utilizam-se substratos com boa capacidade tamponante.
• Aeração
• É necessário o uso de uma grande área superficial do
meio de cultura, no qual o microrganismo ´pode se
desenvolver em contato com o ar. A oxigenação do meio
é realizada pela introdução de ar esterilizado sob
pressão no equipamento de fermentação.
31
• Apresenta uma aceleração na taxa de reação devido ao
direto contato entre o substrato e o microrganismo;
• Devido à menor quantidade de água empregada, o
volume do reator é sempre bem menor que o mesmo
processo submerso, o que reduz os custos de operação
e de capital investido, assim como o espaço ocupado
necessário ao processo;
• O produto final encontra-se mais concentrado, o que
permite, em alguns casos, o processo direto de secagem
e embalagem do produto final obtido, como em
biopesticidas e alguns alimentos orientais;
• Há menor produção de resíduos líquidos a serem
tratados ou dispostos, o que reduz os custos de capital
investido, além de resultar em uma redução nos
problemas ambientais originados pelo processo.
32
• Dependendo das características do meio e do tipo de
reator empregado, pode haver dificuldade em dissipar
tanto o calor produzido como os gases gerados durante
o processo. O que causa temperaturas elevadas em
pontos localizados e quedas de rendimento;
• Se for necessário o emprego da agitação do meio em
fermentação, a energia despendida deverá ser bem
maior que em processo submerso;
• Da mesma forma que a fermentação tradicional, há a
necessidade do pré-tratamento dos substratos, e, em
alguns casos, mais custoso, adequá-los à fermentação
desejada;
33
• BIANCHI, V. L. D., MORAES, I. O., CAPALBO, D. M. F.
Fermentação em estado sólido. In: Schmidell, Wi., Lima,
V.A., Aquarone, E., Borzani, W. Biotecnologia Industrial.
Edgard Blucher LTDA. V.3: p. 247-276, 2001.
• http://www.livrosgratis.com.br/arquivos_livros/cp119890.p
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Fermentação em estado sólido

  • 1. Docente: Prof. José Roberto Tavares Discente: Giullyanno de O. Felisberto UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA Cuiabá – MT Julho/2014
  • 2. • Fermentação em estado sólido, fermentação em substrato sólido ou simplesmente fermentação semi- sólida, são nomes dados a um desenvolvimento microbiano que pode ser, se houver um controle do processo, uma ferramenta potencialmente interessante na obtenção de diversos produtos, tais como enzimas, biomassa microbiana, inóculos, além de alimentos, medicamentos e pigmentos. 2
  • 3. • Definições para uma fermentação em estado sólido concordam que o substrato não tem de ser necessariamente sólido, porém deve conter uma matriz sólida inerte. • “Processos que referem-se a cultura de microrganismos 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 assegure o crescimento e metabolismo das células e não exceda à máxima capacidade de ligação da água com a matriz sólida” 3
  • 4. • A ocorrência da fermentação em estado sólido é mais antiga que o próprio homem, sendo muito difícil de precisar o surgimento desta prática pela atividade humana. Sabe-se que várias formas de alimentos utilizando esse processo microbiano fazem parte da dieta de diversos povos há muitos séculos. • Por exemplo a produção de molho de soja em 1000 a.c. na China. E do queijo roquefort em 100 d.c. no Ocidente. 4
  • 5. • Durante a Segunda Guerra Mundial, para agilizar o processo de penicilina, houve o desenvolvimento de fermentadores para processos envolvendo fermentação em fase liquida em maior escala, deixando os processos em estado sólido de lado no Ocidente. • No Japão, contudo, o processo tradicional, foi sendo aperfeiçoado. Projetaram-se incubadoras automatizadas, agitação controlada, linhagens mutantes melhoradas, etc. Enquanto que nos países do Ocidente estudos vem sendo realizados para obtenção de bioprodutos quase totalmente em nível laboratorial. 5
  • 6. • Aspergillus oryzae (koji-kin)  soja, arroz cozido  shoyu, sake, chiang/miso. 6
  • 7. • Rhizopus oligosporus  base de trigo e soja  tempeh 7
  • 8. • Rhizopus oryzae e bactérias: Lactobacillus casei, Lactobacillus helvecticus e Streptococcus thermophilus  solução de glicose e carbonato de cálcio embebecendo bagaço de cana de açúcar  ácido lático 8
  • 9. • Fusarium graminearum, Gibberella fujikuroi  farelo de trigo  ácido giberélico 9
  • 10. • Aspergillus niger •  sabugo de milho, melaço, bagaço de cana  ácido cítrico •  solução de glicose umedecendo bagaço de cana  ácido lático 10
  • 11. • Aspergillus niger •  farelo de trigo  α-galactosidase •  resíduo fibroso de processamento de mandioca, pectina mais sacarose pectinase* 11
  • 12. • Trichoderma reesei, Trichoderma viride, Penicillium citrinum, Penicillium chrysogenum e Fusarium oxysporum  palha de trigo, cascas de arroz, fibra de coco celulase* 12
  • 13. • Aspergillus carbonarius  farinha de canola  fitase 13
  • 14. • Bacillus thuringiensis, Bacillus coagulans, Bacillus megaterium, Bacillus licheniformis  farelo de trigo  α-amilase 14
  • 15. • Penicillium chrysogenum  bagaço de cana penicilina* 15
  • 16. • Bacillus subtilis  farelo de trigo  iturina* 16
  • 17. • Beauveria brongniartii  grãos de milho  biopesticida • Stilbella aciculosa  farelo de trigo  biopesticida • Bacillus thuringiensis  resíduos de mandioca  biopesticida* 17
  • 18. • Zymomonas mobilis, Saccharomyces cerevisiae cana de açúcar, beterraba, milho, cevada, amido álcool etílico 18
  • 19. • Matriz sólida  partículas de argila • O substrato ou a matriz sólida deve ter algumas características que possibilitem o maior rendimento do processo. A principal peculiaridade é o alto grau de acessibilidade do microrganismo a todo o meio e, para tanto, de suas características mais importantes destacam-se a porosidade, o tamanho e o formato das partículas. 19
  • 20. • O substrato necessita de um pré-tratamento para se adequar às condições necessárias do microrganismo para crescer e produzir: • Esmagamento, quebra, moagem e peneiramento, visando adequar o meio à granulometria adequada do processo; • Suplementação de nutrientes e correção de pH, para suprir a falta de algum nutriente e dar melhores condições ao microrganismo; • Hidrólise ácida ou alcalina de material celulósico, visando facilitar a atuação enzimática; • Embebição, para regular o teor de umidade inicial do processo. 20
  • 21. • A forma empregada em praticamente todos os estudos diz respeito ao processo em batelada no qual o meio é adicionado ao reator, ocorrendo a inoculação do substrato e a incubação do mesmo por um determinado período de tempo. • A seguir, o produto obtido pode ser extraído por suspensão do meio com água, soluções-tampão ou solventes (como no caso de enzimas, ácidos, álcool) ou simplesmente secado e armazenado (produção de biopesticidas). • Outros modos de condução do processo são citados, tais como: • Fermentação semicontínua na obtenção de ácido cítrico; • Fermentação por batelada alimentada na obtenção de ácido giberélico; • Fermentação contínua para a produção de enzimas fúngicas. 21
  • 22. • Tipos de Reatores • Reatores de vidro: Logicamente, por ser um processo ainda não muito difundido, quando se fala em fermentação ém estado sólido deve-se pensar antes de tudo em pesquisas que são realizadas, em nível de laboratório. • frasco de Fernbach, garrafa de cultura, tubular vertical, erlenmeyer de 250 mL e de 2800 mL. • Os frascos de Fernbach e as garrafas de cultura são muito utilizados, inclusive a nível industrial na produção de esporos, devido a ampla área superficial entre o substrato e a atmosfera. 22
  • 23. • Tipos de Reatores • Bandejas: Podem ter fundo inteiriço ou serem perfuradas. A disposição das bandejas deve ter local apropriado, podendo ser utilizadas em salas com estantes e circulação de ar natural ou forçada, passando antes por umidificadores. 23
  • 24. • Tipos de Reatores • Tanques circulares: consiste de dois tanques rotatórios de 7 m de diâmetro, com um agitador helicoidal, dentro de uma câmara de condições controladas. • Podem ser processados, a cada batelada, cerca de 2 a 3 toneladas de meio de cultura, com alimentação, esterilização, inoculação e retirada do produto realizados automaticamente. 24
  • 25. • Tipos de Reatores • Esteira rolante: este sistema é uma variante do fermentador de bandejas. As etapas de inoculação e incubação do material são realizadas em longas esteiras de fundo perfurado por onde circula o ar úmido. 25
  • 26. • Tipos de Reatores • Tubular horizontal (Tambor rotativo): o substrato é esterilizado e resfriado diretamente no tambor. A rotação do reator pode variar de 1 até 180 rpm. 26
  • 27. • Tipos de Reatores • Tubular vertical (fermentador tipo coluna): muito utilizado em pesquisas. Podem ser construídos de vidro ou aço inox, com dimensões de 2 a 40 cm de diâmetro por 20 a 180 cm de altura, permitindo uma capacidade entre 8 a 10 kg por batelada. 27
  • 28. • O controle da umidade, da temperatura e do pH do meio, a velocidade e a frequência de agitação, as condições de transferência de oxigênio e de nutrientes, as características do substrato, além das características e estimativa de crescimento e da automação do processo são os parâmetros mais frequentes analisados em diversos estudos revistos. 28
  • 29. • Umidade • Um substrato propriamente umedecido deve ter um filme superficial de água visando facilitar a dissolução e a transferência de massa de nutrientes e de oxigênio. • Se o nível de umidade for elevado, implicará no decréscimo de porosidade do substrato, menor difusão de oxigênio. Se o nível de umidade for inferior ao necessário, haverá maior dificuldade na difusão de nutrientes, menor crescimento e menor produção. 29
  • 30. • Atividade de água • A quantidade de água não ligada viável à disposição dos microrganismos. Influencia no desenvolvimento microbiano e os processos bioquímicos. Assim, cada microrganismo tem um nível de atividade de água mínimo para efetuar suas atividades metabólicas. • Temperatura • Como a temperatura afeta diretamente a germinação dos esporos, o crescimento e a esporulação dos microrganismos e a formação de produto, o calor produzido deverá ser imediatamente dissipado. 30
  • 31. • pH • O Controle do pH durante a fermentação em estado sólido, dificilmente será conseguido devido à heterogeneidade e à consistência do material. Como tentativa de amenizar o efeito de uma variação brusca, utilizam-se substratos com boa capacidade tamponante. • Aeração • É necessário o uso de uma grande área superficial do meio de cultura, no qual o microrganismo ´pode se desenvolver em contato com o ar. A oxigenação do meio é realizada pela introdução de ar esterilizado sob pressão no equipamento de fermentação. 31
  • 32. • Apresenta uma aceleração na taxa de reação devido ao direto contato entre o substrato e o microrganismo; • Devido à menor quantidade de água empregada, o volume do reator é sempre bem menor que o mesmo processo submerso, o que reduz os custos de operação e de capital investido, assim como o espaço ocupado necessário ao processo; • O produto final encontra-se mais concentrado, o que permite, em alguns casos, o processo direto de secagem e embalagem do produto final obtido, como em biopesticidas e alguns alimentos orientais; • Há menor produção de resíduos líquidos a serem tratados ou dispostos, o que reduz os custos de capital investido, além de resultar em uma redução nos problemas ambientais originados pelo processo. 32
  • 33. • Dependendo das características do meio e do tipo de reator empregado, pode haver dificuldade em dissipar tanto o calor produzido como os gases gerados durante o processo. O que causa temperaturas elevadas em pontos localizados e quedas de rendimento; • Se for necessário o emprego da agitação do meio em fermentação, a energia despendida deverá ser bem maior que em processo submerso; • Da mesma forma que a fermentação tradicional, há a necessidade do pré-tratamento dos substratos, e, em alguns casos, mais custoso, adequá-los à fermentação desejada; 33
  • 34. • BIANCHI, V. L. D., MORAES, I. O., CAPALBO, D. M. F. Fermentação em estado sólido. In: Schmidell, Wi., Lima, V.A., Aquarone, E., Borzani, W. Biotecnologia Industrial. Edgard Blucher LTDA. V.3: p. 247-276, 2001. • http://www.livrosgratis.com.br/arquivos_livros/cp119890.p df 34