Fermentação industrial - Industrial fermentation
A fermentação industrial é o uso intencional da fermentação por microorganismos como bactérias e fungos , bem como células eucarióticas como células CHO e células de insetos , para fazer produtos úteis para humanos. Os produtos fermentados têm aplicações tanto na alimentação como na indústria em geral. Alguns produtos químicos básicos, como ácido acético , ácido cítrico e etanol, são produzidos por fermentação. A taxa de fermentação depende da concentração de microrganismos, células, componentes celulares e enzimas, bem como da temperatura, pH e do oxigênio de fermentação aeróbia . A recuperação do produto freqüentemente envolve a concentração da solução diluída. Quase todas as enzimas produzidas comercialmente, como lipase , invertase e coalho , são feitas por fermentação com micróbios geneticamente modificados . Em alguns casos, a produção da própria biomassa é o objetivo, como a proteína monocelular e como no caso das culturas fermento de padeiro e bactérias do ácido láctico para a fabricação de queijos. Em geral, as fermentações podem ser divididas em quatro tipos:
- Produção de biomassa (material celular viável)
- Produção de metabólitos extracelulares (compostos químicos)
- Produção de componentes intracelulares (enzimas e outras proteínas)
- Transformação do substrato (em que o substrato transformado é o próprio produto)
Esses tipos não são necessariamente separados uns dos outros, mas fornecem uma estrutura para a compreensão das diferenças de abordagem. Os organismos usados podem ser bactérias, leveduras, fungos, algas, células animais ou células vegetais. Considerações especiais são necessárias para os organismos específicos usados na fermentação, como o nível de oxigênio dissolvido , os níveis de nutrientes e a temperatura .
Visão geral do processo
Na maioria das fermentações industriais, os organismos ou células eucarióticas são submersos em um meio líquido; em outros, como a fermentação de grãos de cacau , cerejas de café e missô , a fermentação ocorre na superfície úmida do meio. Existem também considerações industriais relacionadas ao processo de fermentação. Por exemplo, para evitar a contaminação do processo biológico, o meio de fermentação, o ar e o equipamento são esterilizados. O controle da espuma pode ser obtido pela destruição mecânica da espuma ou por agentes químicos antiespumantes. Vários outros fatores devem ser medidos e controlados, como pressão, temperatura, potência do eixo do agitador e viscosidade. Um elemento importante para fermentações industriais é o aumento de escala. É a conversão de um procedimento de laboratório em um processo industrial. Está bem estabelecido no campo da microbiologia industrial que o que funciona bem em escala de laboratório pode funcionar mal ou nem funcionar quando tentado pela primeira vez em grande escala. Geralmente não é possível pegar as condições de fermentação que funcionaram no laboratório e aplicá-las cegamente em equipamentos de escala industrial. Embora muitos parâmetros tenham sido testados para uso como critério de aumento de escala, não existe uma fórmula geral devido à variação nos processos de fermentação. Os métodos mais importantes são a manutenção do consumo de energia constante por unidade de caldo e a manutenção da taxa de transferência volumétrica constante.
Fases de crescimento
A fermentação começa assim que o meio de crescimento é inoculado com o organismo de interesse. O crescimento do inóculo não ocorre imediatamente. Este é o período de adaptação, denominado fase de latência. Após a fase de latência, a taxa de crescimento do organismo aumenta constantemente, por um certo período - este período é a fase logarítmica ou exponencial.
Após uma fase de crescimento exponencial, a taxa de crescimento desacelera, devido à queda contínua das concentrações de nutrientes e / ou ao aumento contínuo (acumulação) das concentrações de substâncias tóxicas. Esta fase, onde o aumento da taxa de crescimento é verificado, é a fase de desaceleração. Após a fase de desaceleração, o crescimento cessa e a cultura entra em uma fase estacionária ou em um estado estacionário. A biomassa permanece constante, exceto quando certos produtos químicos acumulados na cultura lisam as células (quimólise). A menos que outros microrganismos contaminem a cultura, a constituição química permanece inalterada. Se todos os nutrientes do meio forem consumidos, ou se a concentração de toxinas for muito grande, as células podem se tornar cenescentes e começar a morrer. A quantidade total de biomassa pode não diminuir, mas o número de organismos viáveis diminuirá.
Meio de fermentação
Os micróbios ou células eucarióticas usados para fermentação crescem em (ou sobre) meio de crescimento especialmente projetado que fornece os nutrientes necessários para os organismos ou células. Existem vários meios, mas invariavelmente contêm uma fonte de carbono, uma fonte de nitrogênio, água, sais e micronutrientes. Na produção de vinho, o meio é o mosto de uva. Na produção de bioetanol, o meio pode consistir principalmente em qualquer fonte de carbono barata que esteja disponível.
As fontes de carbono são tipicamente açúcares ou outros carboidratos, embora no caso de transformações de substrato (como a produção de vinagre) a fonte de carbono possa ser um álcool ou qualquer outra coisa. Para fermentações em grande escala, como aquelas usadas para a produção de etanol, fontes baratas de carboidratos, como melaço , licor de maceração de milho , caldo de cana-de-açúcar ou caldo de beterraba são usadas para minimizar custos. Fermentações mais sensíveis podem, em vez disso, usar glicose , sacarose , glicerol ou outros açúcares purificados , o que reduz a variação e ajuda a garantir a pureza do produto final. Organismos destinados a produzir enzimas como beta galactosidase , invertase ou outras amilases podem ser alimentados com amido para selecionar organismos que expressam as enzimas em grande quantidade.
Fontes fixas de nitrogênio são necessárias para a maioria dos organismos sintetizar proteínas , ácidos nucléicos e outros componentes celulares. Dependendo das capacidades enzimáticas do organismo, o nitrogênio pode ser fornecido como proteína em massa, como farelo de soja; como polipéptidos pré-digeridos, tais como peptona ou triptona ; ou como sais de amônia ou nitrato. O custo também é um fator importante na escolha de uma fonte de nitrogênio. O fósforo é necessário para a produção de fosfolipídios nas membranas celulares e para a produção de ácidos nucléicos . A quantidade de fosfato que deve ser adicionada depende da composição do caldo e das necessidades do organismo, bem como do objetivo da fermentação. Por exemplo, algumas culturas não produzirão metabólitos secundários na presença de fosfato.
Fatores de crescimento e nutrientes residuais são incluídos no caldo de fermentação para organismos incapazes de produzir todas as vitaminas de que necessitam. O extrato de levedura é uma fonte comum de micronutrientes e vitaminas para meios de fermentação. Nutrientes inorgânicos, incluindo oligoelementos , como ferro, zinco, cobre, manganês, molibdênio e cobalto estão normalmente presentes em fontes de carbono não refinado e nitrogênio, mas podem ter que ser adicionados quando fontes de carbono purificado e nitrogênio são usadas. As fermentações que produzem grandes quantidades de gás (ou que requerem a adição de gás) tendem a formar uma camada de espuma, uma vez que o caldo de fermentação normalmente contém uma variedade de proteínas reforçadoras de espuma, peptídeos ou amidos. Para evitar que essa espuma ocorra ou se acumule, agentes anti-espuma podem ser adicionados. Sais de tamponamento minerais, como carbonatos e fosfatos, podem ser usados para estabilizar o pH próximo ao ótimo. Quando os íons metálicos estão presentes em altas concentrações, o uso de um agente quelante pode ser necessário.
O desenvolvimento de um meio ideal para fermentação é um conceito chave para uma otimização eficiente. Um fator de cada vez (OFAT) é a escolha preferencial que os pesquisadores usam para projetar uma composição de meio. Este método envolve alterar apenas um fator de cada vez, mantendo as outras concentrações constantes. Este método pode ser separado em alguns subgrupos. Um deles são os experimentos de remoção. Neste experimento, todos os componentes do meio são removidos um de cada vez e seus efeitos no meio são observados. Os experimentos de suplementação envolvem a avaliação dos efeitos dos suplementos de nitrogênio e carbono na produção. O experimento final é um experimento de substituição. Isso envolve a substituição das fontes de nitrogênio e carbono que mostram um efeito de aprimoramento na produção pretendida. No geral, o OFAT é uma grande vantagem sobre outros métodos de otimização devido à sua simplicidade.
Produção de biomassa
Células microbianas ou biomassa às vezes são o produto pretendido da fermentação. Os exemplos incluem proteína de célula única , fermento de padeiro , lactobacillus , E. coli e outros. No caso da proteína de uma única célula, as algas são cultivadas em grandes tanques abertos que permitem a ocorrência da fotossíntese. Se a biomassa for usada para inoculação de outras fermentações, deve-se tomar cuidado para evitar a ocorrência de mutações .
Produção de metabólitos extracelulares
Os metabólitos podem ser divididos em dois grupos: os produzidos durante a fase de crescimento do organismo, denominados metabólitos primários, e os produzidos na fase estacionária, denominados metabólitos secundários . Alguns exemplos de metabólitos primários são etanol , ácido cítrico , ácido glutâmico , lisina , vitaminas e polissacarídeos . Alguns exemplos de metabólitos secundários são penicilina , ciclosporina A , giberelina e lovastatina .
Metabólitos primários
Metabolitos primários são compostos produzidos durante o metabolismo normal do organismo durante a fase de crescimento. Um exemplo comum é o etanol ou ácido láctico, produzido durante a glicólise . O ácido cítrico é produzido por algumas cepas de Aspergillus niger como parte do ciclo do ácido cítrico para acidificar o ambiente e evitar que os concorrentes assumam o controle. O glutamato é produzido por algumas espécies de Micrococcus e algumas espécies de Corynebacterium produzem lisina, treonina, triptofano e outros aminoácidos. Todos esses compostos são produzidos durante o "funcionamento" normal da célula e liberados no meio ambiente. Portanto, não há necessidade de romper as células para recuperação do produto.
Metabólitos secundários
Os metabólitos secundários são compostos produzidos na fase estacionária; a penicilina, por exemplo, impede o crescimento de bactérias que poderiam competir com os fungos Penicillium por recursos. Algumas bactérias, como as espécies de Lactobacillus , são capazes de produzir bacteriocinas que também previnem o crescimento de competidores bacterianos. Esses compostos são de valor óbvio para humanos que desejam prevenir o crescimento de bactérias, seja como antibióticos ou como anti-sépticos (como a gramicidina S ). Fungicidas, como a griseofulvina, também são produzidos como metabólitos secundários. Normalmente, os metabólitos secundários não são produzidos na presença de glicose ou outras fontes de carbono que encorajariam o crescimento e, como metabólitos primários, são liberados no meio circundante sem ruptura da membrana celular.
Nos primórdios da indústria de biotecnologia, a maioria dos produtos biofarmacêuticos era feita em E. coli ; em 2004, mais biofármacos eram fabricados em células eucarióticas, como as células CHO , do que em micróbios, mas usavam sistemas biorreatores semelhantes . Os sistemas de cultura de células de insetos também começaram a ser usados na década de 2000.
Produção de componentes intracelulares
De principal interesse entre os componentes intracelulares são as enzimas microbianas : catalase , amilase , protease , pectinase , celulase , hemicelulase , lipase , lactase , estreptoquinase e muitas outras. Proteínas recombinantes, como insulina , vacina contra hepatite B , interferon , fator estimulador de colônias de granulócitos , estreptoquinase e outras também são feitas dessa forma. A maior diferença entre esse processo e os demais é que as células devem ser rompidas (lisadas) no final da fermentação, e o ambiente deve ser manipulado para maximizar a quantidade do produto. Além disso, o produto (normalmente uma proteína) deve ser separado de todas as outras proteínas celulares no lisado a ser purificado.
Transformação de substrato
A transformação do substrato envolve a transformação de um composto específico em outro, como no caso do fenilacetilcarbinol , e a biotransformação de esteroides , ou a transformação de uma matéria-prima em produto acabado, no caso de fermentações de alimentos e tratamento de esgoto.
Fermentação de alimentos
Antigos processos alimentares fermentados, como fazer pão , vinho , queijo , coalhada , idli , dosa , etc., podem ser datados de mais de sete mil anos atrás . Eles foram desenvolvidos muito antes que o homem tivesse qualquer conhecimento da existência dos microrganismos envolvidos. Alguns alimentos como a marmite são subprodutos do processo de fermentação, neste caso na produção de cerveja .
Combustível etanol
A fermentação é a principal fonte de etanol na produção do etanol combustível . Culturas comuns como cana-de-açúcar, batata, mandioca e milho são fermentadas por leveduras para produzir etanol, que é posteriormente processado para se tornar combustível.
Tratamento de esgoto
No processo de tratamento de esgoto, o esgoto é digerido por enzimas secretadas por bactérias. A matéria orgânica sólida é decomposta em substâncias inofensivas e solúveis e dióxido de carbono. Os líquidos resultantes são desinfetados para remover patógenos antes de serem despejados nos rios ou no mar ou podem ser usados como fertilizantes líquidos. Os sólidos digeridos, também conhecidos como lodo, são secos e usados como fertilizante. Subprodutos gasosos, como o metano, podem ser utilizados como biogás para alimentar geradores elétricos. Uma vantagem da digestão bacteriana é que ela reduz o volume e o odor do esgoto, reduzindo assim o espaço necessário para despejo. A principal desvantagem da digestão bacteriana na coleta de esgoto é que é um processo muito lento.
Ração agrícola
Uma grande variedade de produtos residuais agroindustriais pode ser fermentada para uso como alimento para animais, especialmente ruminantes. Os fungos têm sido empregados para quebrar os resíduos celulósicos para aumentar o conteúdo de proteína e melhorar a digestibilidade in vitro .
Veja também
Referências
Bibliografia
- Fundamentos de Engenharia Bioquímica , JE Bailey e PF Ollis, Publicação McGraw Hill
- Principles of Fermentation Technology , Stansbury, PF, A. Whitaker e SJ Hall, 1997
- Penicillin: A Paradigm for Biotechnology , Richard I Mateles, ISBN 1-891545-01-9