Produção de Biomassa
Introdução ­

Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Produção de Biomassa
Cn(H2O)n

+

Substrato

O2

+

Oxigênio

NH3

+

Amônia

P, S, K, Na, Mg, Ca, Fe
Sais Minerais

São convertidos por multiplicação
celular em:
(CHNO)n
Biomassa

+

CO2
Dióxido de
carbono

+

H2O
Água

+ H
Calor de reação

Produção de Biomassa
Introdução ­

Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Composição química de microrganismos

Composto

% em peso seco
Bactérias

Leveduras

Fungos

Proteínas

50-60

35-45

25-40

Glicídios

6-15

30-45

40-55

Lipídios

5-10

5-10

5-10

Ac. Nucléicos

15-25

5-15

2-10

Cinzas

4-10

4-10

4-10

Produção de Biomassa
Introdução ­

Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Vantagens:
9 Tempo de geração curto
Bactérias: 30 min a 2 h
Leveduras: 1 a 3 h
Algas: 2 a 6 h
Fungos filamentosos: 4 a 12 h
9 Elevado teor de vitaminas
9 Alto conteúdo protéico
9 Variedade de fonte de carbono utilizada
9 Facilidade em realizar alterações genéticas
9 Instalações
9 Independe de fatores climáticos

Produção de Biomassa
Introdução ­

Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

· Proteína para alimentação humana ou animal;
· Indústria de alimentos (ex. fermento);
· Remédios;

Quantificação celular

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Etapas do processo

Hoechst/Uhde ­ SCP ­ processo em metanol

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Etapas do processo:
9 Cultivo do microrganismo
Esterilização
Aeração
Equipamento
Forma de Condução
9 Recuperação da Biomassa
Centrifugação (Leveduras e Bactérias)
Filtros rotatórios (Fungos Filamentosos)
Secagem
Quebra da parede celular (para SCP)

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Características básicas:
9 Não ser patogênico
9 Valor nutritivo (para SCP)
9 Não formar compostos tóxicos
9 Baixo custo de produção
Velocidade de crescimento
Conteúdo protéico
Suplementação de nutrientes
Meio de cultura
Separação e secagem

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Bactérias:
9 Alta velocidade de
crescimento
9 Extensa variedade de
fontes de carbono
9 Conteúdo protéico alto

9 Recuperação da biomassa
9Conteúdo de ácidos
nucléicos elevado
9 Possibilidade de produção
de endotoxinas (Gram -)

9 Perfil de aminoácidos
bom; ricas em cistina e
metionina
Gêneros: Bacillus, Hydrogenomas,
Methanomonas, Methylomonas,
Pseudomonas

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Bactérias:
9 Substratos: hidrocarbonetos, Metanol
9 Processos
Chia Yee Solvent Works (Taiwan, 1963)
Pseudomonas; Substrato: Hidrocarbonetos parafínicos; T =
36-38ºC; pH = 7,0; Em contínuo: células com 73,6% de
proteína; Separação em centrifuga, secagem em tambor;
remoção de óleo com solvente; moagem em moinho
Esso Research and Engineering Co. (1968)
Pseudomonas; Substrato: Hidrocarbonetos purificados
(retirada dos aromáticos); T = 25-40ºC; Separação por
centrifugação, decantadores ou filtros; secagem em spraydrying;

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Fungos Filamentosos:
9 Alta conteúdo protéico
9 Perfil de aminoácidos bom;
baixo aas sulfidrilados
9 Os cogumelos constituem um
dos mais antigos alimentos
humanos
9 Gêneros Fusarium e Rhizopus
em cultivos submersos foram
usados como alimento humano
durante a 2ª guerra mundial
9 Mycoprotein: aprovado pelo
governo inglês para consumo
humano

9 Alto conteúdo de ácidos
nucléicos
9 Alguns produzem
compostos tóxicos
9 Crescimento mais lento
que leveduras e bactérias
9 Matéria-prima amilácea
(mais cara)

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Algas:
9 Algas têm sido usadas como alimento humano desde tempos
imemoriais
9 Baixo custo de produção
9 Alto conteúdo protéico
9 Alta digestibilidade
9 Teor balanceado de aminoácidos
9 Alto teor de vitaminas (tiamina, riboflavina, cobalamina) e
carotenóides
Gêneros: Chlorella, Scenedesmus e Spirulina

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Algas:
9 Meio de cultivo (quimioautotrófico ou fotoautotrófico)
Água do mar
Lagos salinos
Águas oriundas de sistemas de tratamento de
efluentes
Meio de cultivo sintético (NaHCO3; K2HPO4; NaNO3;
NaCl; MgSO4.7H2O; FeSO4.7H2O; K2SO4; CaCl2.2H2O;
solução de micronutrientes)
9 Não precisa esterilizar e sem controle de temperatura

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Algas:
9 Processo de produção
Batelada simples em lagos abertos
Quantidade de iluminação ­ profundidade 20 a 30 cm

Typical Commercial Microalgae Production Facility, Kona, Hawaii.

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Algas:
9 Recuperação
Centrifugação/Coagulação (baixa densidade celular)
Filtração rotativa
Secagem (Baixa pressão, "spray drying", ao sol,
secagem em camadas de areia)

Produção de Biomassa
· Algas:

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Leveduras
9 Alta velocidade de crescimento
9 pH 3.5 a 5.0: evita contaminação
9 Facilidade de recuperação por centrifugação
9 Perfil de aminoácidos bom
9 Alto conteúdo vitamínico e complexo B
9 Rendimentos elevados

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Leveduras
9 Melaço é a principal matéria-prima para a produção de
leveduras tais como S. cerevisiae e C. utilis
9 É um subproduto da produção do açúcar de cana e
beterraba
9 O melaço apresenta K, Mg, P, Zn, Fe, Cu, além de
vitaminas (biotina, ác. pantotenico, inositol, tiamina) e
aminoácidos (asparagina, ác. aspártico, alanina, ácido
glutâmico e glicina)

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Leveduras de panificação
9 São empregadas linhagens selecionadas de S.
cerevisiae em função:
Características fisiológicas estáveis
Fermentação vigorosa do açúcar na massa
Crescimento rápido
Manutenção de boa qualidade sem
autólise
Alto rendimento no fermentador

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Leveduras de panificação
9 Processo em múltiplos estágio
9 Aeróbio
9 Batelada alimentada

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Leveduras de panificação
9 Preparo do mosto:
Melaço é diluído ([açúcar]i = 0,5 a 1,5 %p/v)
Acidulado (pH 4,5 a 5,0)
Aquecido
Clarificado por filtração ou sedimentação
Esterilizado (vapor sob pressão)
Fortificado (sais de amônio, uréia sais de fósforo ou ác.
fosfórico, vitaminas) e retirada de SO3 (aeração em
temperatura alta)

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Leveduras de
panificação

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Leveduras de panificação
9 Levedura prensada
Adição de emulsificantes (óleos vegetais) para dar
consistência desejada e adição de álcoois (etílico, propílico,
isopropílico) ou amido de cereal para proteção contra
contaminações
68-72% de umidade; 27-30% sólidos; 50-56% proteína, 89% N, 1-1,4% P
Refrigeração (0-4ºC)
9 Levedura seca ativa
8% de umidade
Células são secas em condições controladas de T e
umidade de modo que as enzimas não sejam deterioradas

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Levedura alimentar
9 S. cerevisiae e C. utilis são propagadas em diferentes
substratos e comercializadas como fonte de proteínas e
vitaminas do complexo B para suplementação humana ou
rações animais
9 As leveduras resultantes dos processos exclusivamente
destinados a sua propagação são denominados leveduras 1as,
enquanto que as obtidas como subprodutos de outra indústria
são denominadas leveduras 2as (recuperadas de cervejarias e
destilarias)
9 Componentes da levedura forrageira
Proteína > 45%
Ca ­ 0,1 -0,5%
Gordura ­ 2%
P ­ 1,5%
Tiamina ­ 6 a 100 mg/kg
Fibras ­ 2%
Riboflavina ­ 10 a 50 mg/kg
Cinzas ­ 7-8%

Produção de Biomassa
· Levedura Alimentar
9 Obtenção de levedura
secundária

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Levedura Alimentar
9 Obtenção de
leveduras secas
em uma destilaria

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Levedura Alimentar

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­ Quantificação celular

· Levedura Alimentar

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Métodos Diretos
· Determinação do número de
células
9 Contagem ao microscópio;
9 Contagem de colônias formadas;
9 Número mais provável
9 Contagem eletrônica (Contador
Coulter, Citometria de fluxo)
· Determinação da biomassa
microbiana
9 Peso Seco;

Quantificação celular

Métodos Indiretos
· Constituintes celulares
9 Concentração total de N ou C;
9 ATP;
9 DNA, RNA;
9 Conteúdo protéico;
· Dosagem de elementos do
meio de cultura
9 Substrato;

9 Turbidimetria;

9 Consumo de O2;

9 Volume de Centrifugado;

9 Produção de CO2;

9 Viscosidade

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Quantificação celular

Métodos Diretos · Determinação do número de células
9 Contagem ao microscópio;

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Quantificação celular

Métodos Diretos · Determinação do número de células
9 Contagem ao microscópio;

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Métodos Diretos
· Determinação do número
de células
9 Contagens de colônias formadas;

Quantificação celular

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Métodos Diretos

· Determinação do número de células

9 Contagens de colônias
formadas;

Quantificação celular

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Quantificação celular

Métodos Diretos · Determinação do número de células
9 Número mais provável (NMP);

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Quantificação celular

Métodos Diretos · Determinação do número de células
9 Contagem eletrônica.

Contador Automático de
Células - Coulter

Citômetro de Fluxo

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Quantificação celular

Métodos Diretos · Determinação do número de células
9 Contagem eletrônica ­ Citometria de Fluxo.

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Quantificação celular

Métodos Diretos · Determinação do número de células
9 Contagem eletrônica ­ Processamento Digital de imagens (PDI).

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Métodos Diretos
9 Matéria seca;

Quantificação celular

· Determinação da biomassa microbiana
9 Turbidimetria ou espectrofotometria.

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Quantificação celular

Métodos Diretos · Determinação da biomassa microbiana
9 Volume de Centrifugado;

9 Viscosidade

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Quantificação celular

Métodos Indiretos · Constituintes celulares
9 Concentração total de N ou C;
9 ATP;

Composição elementar
Composto

Bactérias

Leveduras

Fungos

C

46-52

46-52

45-55

H

10

10

10

O

20

20

20

N

10-14

6-8,5

4-7

S

0,2-1

0,01-0,03

0,1-0,5

P

2-3

0,8-2,6

0,4-4,5

Mg

0,1-0,5

0,1-0,5

0,1-0,3

K, Ca

0,1-0,5

0,1-0,5

0,1-0,5

Na, Fe

0,01-0,1

0,01-0,1

0,01-0,1

Outros

traços

traços

traços

9 DNA;
9 Conteúdo protéico;

% em peso seco

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Métodos Indiretos
· Constituintes celulares
9 Concentração total de N ou C;
9 ATP;
9 DNA, RNA;
9 Conteúdo protéico;

Quantificação celular

Produção de Biomassa
Introdução -

Quantificação celular ­

Métodos Indiretos · Dosagem de elementos do meio de cultura
9 Substrato;
- Cn(H2O)n - YsoO2 - YsnNH3 ­ Yss S1 + YsxX + YscCO2 + Ysp P1 + YswH2O = 0
1

1

X = CHaObNcSdPe; S. cerevisiae: CH1.6O0,40N0,22P0,02

9Consumo de O2;
9 Produção de CO2;
- Cn(H2O)n - YsoO2 - YsnNH3 ­ Yss S1 + YsxX + YscCO2 + Ysp P1 + YswH2O = 0
1

1

Produção de Biomassa
Introdução -

Quantificação celular ­

Métodos Indiretos · Dosagem de elementos do meio de cultura
9Consumo de O2;
9 Produção de CO2;

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Quantificação celular

· Fase lag

· Fase intermediária

Rearranjo do sistema enzimático (síntese

Aumento gradativo da concentração celular

de enzimas);

X = cte = Xo

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

· Fase log ou exponencial

Quantificação celular

· Fase de redução de velocidade

Células plenamente adaptadas;

Diminuição da concentração de substrato limitante;

Velocidades de crescimento elevadas;

Acúmulo de produto(s) no meio

Consumo de substrato;

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

· Fase estacionária

Quantificação celular

· Fase de declínio

Término do substrato limitante;

Redução do crescimento celular;

Acúmulo de produtos tóxicos;

Consumo de material intracelular (lise).

Concentração celular constante em seu
valor máximo.

Produção de Biomassa
Introdução ­ Aplicações ­ Processo ­ Microrganismos ­

Quantificação celular