Fermentação em Estado Sólido

Docente: Prof. José Roberto Tavares

Discente: Giullyanno de O. Felisberto

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSOINSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

Cuiabá – MTJulho/2014

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Introdução• 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.

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Introdução• 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”

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Histórico• 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.

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Histórico• 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.

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Microrganismos, Substratos e Produtos

• Aspergillus oryzae (koji-kin) soja, arroz cozido shoyu, sake, chiang/miso.

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Microrganismos, Substratos e Produtos

• Rhizopus oligosporus base de trigo e soja

tempeh

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Microrganismos, Substratos e Produtos• 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

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Microrganismos, Substratos e Produtos

• Fusarium graminearum, Gibberella fujikuroi farelo de trigo ácido giberélico

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Microrganismos, Substratos e Produtos• Aspergillus niger • sabugo de milho, melaço, bagaço de cana

ácido cítrico• solução de glicose umedecendo bagaço de

cana ácido lático

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Microrganismos, Substratos e Produtos• Aspergillus niger • farelo de trigo α-galactosidase• resíduo fibroso de processamento de

mandioca, pectina mais sacarose pectinase*

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Microrganismos, Substratos e Produtos• Trichoderma reesei, Trichoderma viride,

Penicillium citrinum, Penicillium chrysogenum e Fusarium oxysporum palha de trigo, cascas de arroz, fibra de coco celulase*

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Microrganismos, Substratos e Produtos• Aspergillus carbonarius farinha de canola

fitase

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Microrganismos, Substratos e Produtos• Bacillus thuringiensis, Bacillus coagulans,

Bacillus megaterium, Bacillus licheniformis farelo de trigo α-amilase

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Microrganismos, Substratos e Produtos• Penicillium chrysogenum bagaço de cana

penicilina*

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Microrganismos, Substratos e Produtos• Bacillus subtilis farelo de trigo iturina*

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Microrganismos, Substratos e Produtos• Beauveria brongniartii grãos de milho

biopesticida• Stilbella aciculosa farelo de trigo

biopesticida• Bacillus thuringiensis resíduos de

mandioca biopesticida*

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Microrganismos, Substratos e Produtos• Zymomonas mobilis, Saccharomyces

cerevisiae cana de açúcar, beterraba, milho, cevada, amido álcool etílico

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Microrganismos, Substratos e Produtos• 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.

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Microrganismos, Substratos e Produtos• 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.

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Reatores Para a Fermentação em Estado Sólido• 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.

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Reatores Para a Fermentação em Estado Sólido• 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.

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Reatores Para a Fermentação em Estado Sólido• 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.

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Reatores Para a Fermentação em Estado Sólido• 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.

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Reatores Para a Fermentação em Estado Sólido• 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.

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Reatores Para a Fermentação em Estado Sólido• 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.

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Reatores Para a Fermentação em Estado Sólido• 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.

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Controles do Processo• 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.

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Controles do Processo• 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.

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Controles do Processo• 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.

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Controles do Processo• 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.

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Vantagens• 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.

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Desvantagens• 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;

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Referências• 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.pdf