Tecnologia de Processos Bioquímicos Industriais - Ácido Lático e Solventes

Tecnologia de Processos Bioquímicos Industriais Ácido Lático e Solventes Profa: Denise Godoy E-mail: [email protected] Introdução Introdução n Importância dos processos fermentativos na indústria química e farmacêut...

Tecnologia de Processos Bioquímicos Industriais Ácido Lático e Solventes Profa: Denise Godoy E-mail: [email protected] Introdução Introdução n Importância dos processos fermentativos na indústria química e farmacêutica q Etanol: químico, doméstico, carburante; q Ácidos orgânicos: cítrico, lático, acético, etc.; q Solvente: acetona, butanol, etc.; q Enzimas: amilases, proteases, lipases, pectinases, lactase, entre outras; q Vitaminas: ergosterol, ácido ascórbico, etc.; q Antibióticos: penicilina Introdução n Micro-organismos na indústria de alimentos q Decompositores de alimentos; q Fermentação de alimentos e bebidas; q Muitos alimentos devem sua produção e suas características às atividades fermentativas dos micro-organismos Introdução n Micro-organismos na indústria de alimentos q Produtos como queijos maturados, chucrutes, linguiça fermentada – vida de prateleira maior que a matéria–prima da qual eles foram feitos; q Alimentos fermentados possuem aroma e sabor característicos que resultam direta ou indiretamente dos organismos fermentadores. Introdução n Micro-organismos na indústria de alimentos q Vinho e vinagre – 10.000 AC; q Cerveja – 5.000 – 6.000 AC - Egito; q Pão – 4.000 – 7.000 AC – Egito; q Queijo e leite fermentado – 5.000 AC q Soja fermentada – 3.000 AC - China Introdução n Importância dos processos fermentativos na indústria de alimentos: Produtos Microrganismos Queijo Bactérias e fungos Iogurtes Bactérias láticas Manteiga Bactérias láticas Bebidas Leveduras e fungos Produtos de Panificação Leveduras Picles, azeitonas e chucrutes Bactérias láticas Carnes fermentadas Bactérias láticas Vinagre Bactérias acéticas Aromas Fungos Proteínas unicelulares Fungos, leveduras e bactérias Soja fermentada Fungos, leveduras e bactérias Importância das Bactérias na Indústria de Alimentos n A indústria de laticínios utiliza bactérias dos gêneros Lactobacillus e Streptococcus para a produção de coalhadas, iogurtes e queijos. n Bactérias do gênero Acetobacter também são usadas para a transformação do álcool presente no vinho em ácido acético, o que dá origem ao vinagre. n Existem ainda várias espécies usadas na preparação de comidas ou bebidas fermentadas, como picles, chucrute, molho de soja. Ácido Lático Importância das Bactérias Láticas na Indústria de Alimentos n Obtenção de vegetais fermentados: pickles, chucrute, azeitonas, forragem para gado n Gênero Leuconostoc - produção de sabor no chucrute; lacticínios: iogurtes, leites acidificados, queijos, manteiga n Leuconostoc, Streptococcus lactis, S. diacetilactis e L. cremoris: são usados como fontes de flavorizantes na indústria de lacticínios e são responsáveis pelas diferentes características conferidas à manteiga, queijos e iogurtes (produção de diacetil) n Carnes curadas: salames e outros embutidos Aspectos negativos das bactérias láticas na indústria n Produção de acidez e aromas indesejáveis (diacetil) em: vinhos, sucos, cervejas e outras bebidas destiladas (Pediococcus perniciosus e P. damnosus, encontrados na cerveja) n Deterioração de produtos cárneos, vegetais e frutas n Síntese de biopolímeros por Leuconostoc mesenteroides, consome sacarose: na indústria açucareira, reduzindo o rendimento e provocando o entupimento de filtros, bombas e tubulações Introdução n Algumas Características do Ácido Láctico q é um ácido fraco, porém confere uma certa acidez que persiste por um dado tempo; q é um sólido cristalino de baixo ponto de fusão; q possui um agradável sabor azedo; q é resistente ao calor; q seus sais são altamente solúveis; O H 3C – C – C q miscível em água, álcool e éter. OH OH Introdução n A utilização do ácido lático: q É usado em alimentos, produtos farmacêuticos, cosméticos e também na indústria química. q Na indústria de alimentos: acidulante em produtos de confeitaria, fabricação de extratos, essências, sucos de frutas, refrigerantes e outros. q Conservação de carnes, de vegetais e de pescado. Definição n Fermentação lática é o processo metabólico no qual carboidratos e compostos relacionados são parcialmente oxidados, resultando em liberação de energia e compostos orgânicos, principalmente ácido láctico. n É realizada por um grupo de micro-organismos denominado de bactérias ácido-láticas, as quais têm importante papel na produção/conservação de produtos alimentares. Agente da Fermentação n Bactérias do gênero Lactobacillus n Características do gênero: q não patogênicas; q não esporulam; q são bastonetes, gram (+) e imóveis; q são microaerófilos (precisam de pequena quantidade de O2); Agente da Fermentação n Bactérias do gênero Lactobacillus n Características do gênero: q são mesófilos e termófilos; q existe preferência em se trabalhar com os termófilos, visto que a maioria dos contaminantes é mesófila; q são exigentes e precisam de sais minerais em seu meio de cultura. Agente da Fermentação  Linhagens Produtoras n Bactérias homofermentadoras - degradam glicose através da via glicolítica. Os primeiros estágios da via metabólica da fermentação lática são os da via Embden-Meyerhof ou via glicolítica. O intermediário importante para a formação do ácido lático é o ácido pirúvico. No final da via glicolítica, o ácido pirúvico, sob a ação da enzima lactato desidrogenase dá origem ao ácido lático. Linhagens Produtoras n Bactérias homofermentadoras Linhagens Produtoras n Bactérias homofermentadoras - São muito importantes e tem grande interesse na fabricação do ácido lático. n São muito importantes para a formação de acidez em laticínios. n L. delbrueckir (sacarose e glicose) n L. bulgaricus (glicose) n L. cosei (lactose) n L. leishimanni (lactose) n Streptococus lactis (lactose) Linhagens Produtoras n Bactérias heterofermentadoras – degradam glicose através da via oxidativa das pentoses fosfato. A fermentação da glicose por essas bactérias resultam em vários produtos. Os compostos intermediários importantes na via heterofermentativa são o ácido pirúvico e o aldeído acético. Linhagens Produtoras n Bactérias heterofermentadoras q As bactérias heteroláticas são mais importantes do que as homoláticas na produção de componentes de aroma e sabor, tais como o acetilaldeído e o diacetil. q O processo de formação de diacetil a partir de citrato na indústria de alimentos é fundamental para a formação de odor, p. exemplo na fabricação de manteiga. Linhagens Produtoras n Bactérias heterofermentadoras Linhagens Produtoras n Bactérias heterofermentadoras – Linhagens produtoras de ácido láctico: q L. Acidophillus q L. brevis q L. fermenti q Leuconostoc mesenteroides Linhagens Produtoras n O rendimento líquido em ATP: q 2 moles / mol de glicose pela via homofermentativa q 1 mol / mol de glicose pela via heterofermentativa. Matérias-primas n Lactose - utilizada como substrato desde 1936, mas pode, também, ser utilizado o soro de leite, que apresenta cerca de 5,0% em lactose. n Leite desnatado ou sobras podem ser utilizados, desde que se faça uma precipitação da caseína com o auxílio de um ácido mineral, ou mesmo do ácido lático, que será recuperado ao final do processo. Matérias-primas n Leitelho, que é o soro do leite das queijarias. n Pode-se produzir, ainda, a partir da glicose do milho, melaço de cana, batatas. Condições de Produção n Crescimento celular atinge seu máximo com 18 h n Fermentação se completa entre 42 h a 5 dias n pH: 5,0 - 5,8 (controle do crescimento de contaminantes) n Adição de CaCO3 ou Ca(OH)2 : tamponamento do meio (a cada 6h) n Agitação: manter o contato entre o CaCO3 e o ácido lático que vai se formando n Rendimento Médio: 85 a 90% em relação ao açúcar consumido Controles da Fermentação n Microbiológico n Químico: açúcar (inicial e final); acidez; peso de produto obtido (lactato) PRODUÇÃO DE SOLVENTES ACETONA-BUTANOL  Produção de solventes – Fermentação acetonobutanólica Introdução: A produção de solventes por fermentação tornou-se muito importante durante a Primeira Guerra Mundial. Por algum tempo, o principal produto foi a acetona, mas, depois que o butanol e seus ésteres passaram a ser usados na preparação de lacas para a indústria automobilística, a acetona passou a ser o produto de menor importância. A produção de solventes por fermentação continuou vital até a Segunda Guerra Mundial, mas atualmente sofre a concorrência de processos sintéticos de produção, com preços mais baixos. Entretanto ainda se produzem solventes por fermentação. Introdução n Usos e Aplicações: n Butanol: solvente de arraste em cromatografia; confecção de filmes poliméricos (borracha sintética, acetatos e resinas), indústria farmacêutica (purificação dos antibióticos), indústria automobilística (fluidos freios e solventes de tintas e vernizes). n Acetona: solvente na produção de insulina, óleos, graxas, filme de rayon acetato; confecção de explosivos e refino de cocaína. n Etanol: convertido ácido acético ou éter etílico. Linhagens Produtoras n Há várias espécies de bactérias capazes de produzir butanol e acetona; n Para produções industriais é indicado o Clostridium acetobutylicum. n Processos já patenteados. n As diferenças que as cepas de Clostridium podem apresentar podem ser com relação à proporção de solventes que produzem. Linhagens Produtoras n Exemplos: q C. beijeirinckii (C. butylicum) produz solventes na mesma proporção que C. acetobutylicum, mas ao invés de acetona produz isopropanol; q C. aurantibutyricum produz tanto acetona quanto isopropanol junto com butanol; q C. tetanomorphum produz quantidades equimolares de butanol e etanol. Agente da Fermentação n Chlostridium acetobutylicum q habitam solos, raízes e grãos q São bastonetes gram + q pH ótimo – 5,5 a 7 q temperatura ótima – 35 a 37° C q Anaeróbio estrito q Tolera até 1,5% de butanol Agente da Fermentação n Mecanismo de fermentação: A degradação da glicose se dá pela glicólise que é transformada em piruvato. Produção de solventes – Fermentação acetonobutílica Preparo do inóculo: Os esporos bacterianos são as formas mais resistentes. Assim, faz-se uso de choques térmicos de forma a selecionar os esporos mais resistentes – que são os que dão maior rendimento. Tais choques se processam a 100°C a cada um ou dois minutos. Pode-se ainda proceder aos choques no isolamento das bactérias numa temperatura em torno de 80°C por 45 minutos. Tal procedimento reduz o número de células no meio de cultura, ou seja, as células não resistentes vão sendo eliminadas. Industrialmente, os esporos mais resistentes são mantidos em areia estéril.  Produção de solventes – Fermentação acetonobutílica Matéria – prima: Geralmente usa-se a sacarínea, podendo ser utilizada também a amilácea. O agente da fermentação fermenta tanto glicose como maltose, frutose, sacorose e o amido; fermenta irregularmente celobiose, sorbitol e carbometil celulose; e não fermenta ribose, celulose e glicerol. Como fontes de nitrogênio o micro-organismo usa N2, sal de amônio, aminoácidos, peptonas, extrato de lêvedo, extrato de soja, água de milho (milharina). Assim, podem ser usados como matérias-primas o açúcar cristal, melaço, caldo de cana e amido. Produção de solventes – Fermentação acetonobutílica Preparo do Mosto: - teor do substrato - 6 a 10% (no máximo) de açúcar - a linhagem tolera até 1,5% de butanol - N2 inorgânico, principalmente. ex. fosfato de amônio. Produção de solventes – Fermentação acetonobutílica - N2 orgânico dependendo da linhagem - vitaminas são exigentes - estimulantes adicionados para acelerar o processo. Ex: ác. Aspártico, asparigina e ác. glutâmico. - esterilização por meio de vapor se MP sacarínea e aquecimento a alta temperatura se MP amilácea. Produção de solventes – Fermentação acetonobutílica Fermentação: - pH em torno do neutro - temperatura : 25 a 35°C - tempo: de 72 a 150 horas. - micro-organismo é anaeróbio estrito Produção de solventes – Fermentação acetonobutílica Fermentação: (cont.) Na prática, as células (inóculo) são postas no fundo do fermentador (comprido e estreito) onde a tensão de O2 é extremamente baixa e além disso os gases produzidos durante a fermentação arrastam o O2. Em adição são colocadas substâncias no fundo da dorna que captam o O2 e também o mosto, após a esterilização, é mantido geralmente aquecido havendo menos O2 dissolvido. Produção de solventes – Fermentação acetonobutílica Cinética do processo: 1a. Fase: - Crescimento microbiano baixo (devido à fermentação) - Elevação da concentração de ácidos ( pH) - Baixa produção de solventes e intensa evolução gasosa (devido ao pH baixo e pouco crescimento) 2a. Fase: Baixa a concentração de ácidos, evidenciando o consumo destes pelos micro-organismos havendo alta produção de solventes. 3a. Fase: Ocorre novo aumento na concentração de ácidos. Não há produção de solventes e as células começam a morrer.  Produção de solventes – Fermentação acetonobutílica Controles: - MP: concentração substrato - pH: determinado via dosagem por titulação - Espuma: controlada por meio de um visor que mede o nível da espuma que deve ser clara e com odor característico. - microbiológico: quando a cinética não se dá adequadamente deve-se efetuar este controle, pois algum contaminante pode estar presente durante a fermentação.  Produção de solventes – Fermentação acetonobutílica Produtos e recuperação: butanol 60% Produtos (30%) acetona 30% A recuperação é feita etanol 10% por meio de destilação Subprodutos (10%) ácido acético (o produto é uma mistura de solventes ácido butírico transparentes). CO2 Gases (60%) H2 Situação atual n A busca por alternativas mais sustentáveis, que diminuam a dependência por petróleo, está levando empresas do setor químico nos Estados Unidos e no Brasil a acelerar a produção a partir do milho e da cana- de-açúcar do butanol renovável, ou biobutanol, para uso como solvente e biocombustível. As iniciativas mais recentes envolvem a Rhodia e a Butamax, joint-venture que reúne a multinacional britânica BP e a americana DuPont. n Fonte: http://bit.ly/1JOKQWX Referências n Notas de Aula e livro texto, v. 3, cap. 2 (item 2.5), cap. 3 (item 3.2)