Biotecnologiabiologia2005, Notas de estudo de Química Industrial

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BIOTECNOLOGIA

(BIOLOGIA)

Definição

BIOTECNOLOGIA^ 1.^ O QUE É BIOTECONOLOGIA?^ A biotecnologia consiste na aplicação em grande escala dos avanços científicos etecnológicos, a partir de organismos vivos (células e/ou moléculas) para produçãoracionalizada de substâncias, que resultam em produtos comercializáveis.^ A biotecnologia encontra muitas aplicações importantes em:

• Indústria (química, petroquímica, alimentos, farmacêutica) • Agricultura/Pecuária • Saúde • Preservação do meio ambiente Embora a palavra biotecnologia tenha sido usada pela primeira vez em 1919 por um engenheiro agrícola da Hungria, o crescimento dessa área somente ocorreu a partir da década de 70 com o desenvolvimento da tecnologia do ácido desoxirribonucléico (DNA)recombinante.

História

BIOTECNOLOGIA 2. EVOLUÇÃO DA BIOTECNOLOGIA • As técnicas de fermentação, que até o presente momento constituem os processosprincipais

da^

biotecnologia,

são

conhecidos

e^ utilizados

desde

a^ Antigüidade,

principalmente na produção de cervejas e vinhos. No oriente, os antigos já utilizavambebidas fermentadas, da mesma forma de que, na América pré-colombiana, tambémjá se produziam bebidas com a utilização de processos rudimentares de fermentação.Há séculos que no Japão e na China se utilizam processos de produção de bebidas ealimentos pela técnica de fermentação. • O troglodita sabia que a carne deixada em repouso alguns dias era mais saborosaque aquela ingerida logo após a matança; Sabia, também que bebidas intoxicantespoderiam ser feitas de grãos e frutas. O envelhecimento da carne e a fabricação debebidas alcoólicas foram os primeiros usos de fermentação pelo homem; • A fabricação de queijo e molho de soja na China e no Japão é conhecida há milharesde anos; • Foram encontrados pães nas pirâmides egípcias construídas há milhares de anos;

História

BIOTECNOLOGIA^ • Quanto a usos medicinais da fermentação , os chineses há mais de 3000 anosutilizavam coalhada mofada de soja para curar infecções da pele ; os primitivoshabitantes da América Central empregavam fungos para o tratamento de feridasinfeccionadas;^ • As primeiras plantas industriais a utilizarem tecnologia de fermentação foram asfábricas de cerveja. No entanto, foi só no final do século XIX e início do século XX queessa tecnologia passou a ser gradativamente utilizada, tanto na indústria de bebidas ealimentos, como na indústria química.^ • A^

indústria

química,

no^

início

do^

século

XX,

iniciou

a^ produção

de^

solventes

orgânicos. Só no início da I Guerra Mundial as necessidades de acetona na produçãode explosivos estimularam substancialmente a pesquisa no potencial da tecnologia defermentação. • Em^

Rudolf

Emmerich

e^ Oscar

Low,

isolaram

a^ piociânase,

o^ primeiro

antibiótico do mundo. Problemas de padronização do produto, não existiam técnicaspara garantir que cada partida produzida da substância pudesse ser igualmenteefetiva, causando insucesso em alguns casos , levou ao abandono deste; • Em 1923 , Pfizer inaugurou a primeira fábrica para a produção de ácido cítrico porvia^ fermentativa.

O^

processo

envolvia

uma

fermentação

utilizando

o^

fungo

aspergillus niger,

pelo qual açúcar era transformado em ácido cítrico

Bioprocessos

BIOTECNOLOGIA^ 3. OS BIOPROCESSOS^ •^ Bioprocessos

compreendem um conjunto de operações que incluem o

-^ tratamento da matéria prima

-^ preparo dos meios de propagação e produção

-^ esterilização e a transformação do substrato em produto(s); •^ processos de produção; •^ processos de separação e purificação de produto(s). - A distinção entre bioprocessos e processos químicos está calcada na natureza doscatalisadores

utilizados

em^

suas^

reações.

Os^

bioprocessos

são

conduzidos

mediante ação de:

-^ microrganismos; •^ células animais ou vegetais; •^ enzimas.

Esquema geral de um bioprocesso

Microrganismo selecionadoPreparo inoculo: etapa delaboratório Preparo inoculo: etapaindustrial

Ar Compressor

Esterilização do ar

Meio de culturaselecionadoEsterilização

Matérias-primas

CélulasSeparação dascélulasCaldo fermentadoRecuperação Produto

Produto

Tratamento efluentes

BiorreatorIndustrial

Bioprocessos/Enzimas

BIOTECNOLOGIA^ 4.1 Cinética^ • Do ponto de vista termodinâmico, uma enzima é um catalisador que acelera umareação

porque

diminui

a^ energia

de^

ativação.

Isto

acontece

porque

a^ enzima

aumenta o número de moléculas ativas, capazes de reagir.

dF de reação

A^ ne

Coordenadas de energia

A^ e

Epara reação não enzimáticaa^

Epara reação enzimáticaa^

Coordenadas de reação

11

Bioprocessos/Enzimas

BIOTECNOLOGIA^ • Influência da Concentração de enzima, Concentração de substrato,Temperatura, pH,na cinética de reações catalisadas por enzimas. (rever)^ 4.2 Extremozimas^ • Há cerca de 30 anos, os cientistas pensavam que só existia vida em um númeromuito limitado de habitats. Hoje, porém, não resta dúvida de que até mesmo osambientes mais extremos são colonizados por microorganismos especiais, muito bemadaptados a esses “ninhos” ecológicos. Esses organismos, os extremófilos, estãopresentes em biótipos onde outras criaturas não conseguem sobreviver.^ • Os extremófilos são encontrados em altas temperaturas (termófilos), sob condiçõesde^

frio^ extremo,

como

geleiras

(organismos

psicrofílicos),

em^

lagos

de^

elevada

salinidade (halófilos) e em ambientes extremamente ácidos (acidófilos) ou alcalinos(alcalinófilos), nas altas pressões do fundo do mar ou na abundância de metais tóxicos(metalófilos) • A^ descoberta

de^

organismos

extremófilos

abre

novas

oportunidades

para

o

desenvolvimento

de^

enzimas

que

apresentam

atividade

sob

as^

circunstâncias

extremas (as extremozimas), encontradas com freqüência em processos industriais.

Bioprocessos/Enzimas

BIOTECNOLOGIA^ Vantagens^ • Baixo consumo de energia ( temperatura ótima de atividade )^ • Enzimas com alto grau de pureza^ • Pequena produção de produtos colaterais ( especificidade )^ • Aproveitamento quase total da matéria-prima^ • Reações de fácil controle^ Desvantagens^ • Dificuldade de reutilização de algumas enzimas^ • Uso restringido de algumas enzimas pela necessidade de co-fator^ • Reações susceptíveis à ação de substâncias inibidoras

Bioprocessos/Enzimas

BIOTECNOLOGIA^ 4.4 Hidrolases/Carbohidrases^ •^ Alfa amilase

: É uma endoenzima que catalisa as reações de hidrólise das ligações glicosídicas

α-(1-4) do amido internamente, de forma desordenada. O produto da hidrólise são oligossacarídeos de médio P.M. (dextrinas). Origem das

α-amilases: suco pancreático, saliva; durante germinação de cereais; fúngica ou bacteriana. •^ Beta amilase

: É uma exoenzima que catalisa a reação de hidrólise das ligações

glicosídicas

α-(1-4) de duas em duas unidades de glicose a partir da extremidade não redutora das moléculas do amido. Os produtos da hidrólise são maltose e beta limite dextrina. Origem das beta amilases: cereais como a cevada, soja, batata doce; microbiana –bactérias.

A^ batata

doce

crua

tem

gosto

de^

amido.

Após

cozimento

tem sabor

adocicado. Porque? Malteação da cevada para fabricação de cerveja e wisk.

Bioprocessos/Enzimas

BIOTECNOLOGIA^ A^ β

-ciclodextrina é a que apresenta menor solubilidade, em função do elevadonúmero de ligações hidrogênio intramolecular entre os grupos hidroxilo secundáriosexistentes na molécula. Na

α-ciclodextrina só quatro das suas seis possíveis ligações

de hidrogênio podem ser estabelecidas, em virtude de uma unidade de glicose seencontrar em posição distorcida. A

γ-ciclodextrina por ser uma molécula de estrutura

mais flexível, é a mais solúvel das três.^ As ciclodextrinas são usadas com finalidades muito diversas. Além das aplicaçõesfarmacêuticas,

são

aplicadas

em^

produtos

alimentícios,

cosméticos,

pesticidas,

produtos químicos, química analítica.^ A inclusão de um composto numa ciclodextrina podem levar às seguintes alteraçõesnas propriedades desse composto:

• A solubilidade e velocidade de dissolução de substâncias pouco solúveis podem ser significativamente aumentadas; - Muitas substâncias podem ser protegidas contra hidrólise , oxidação, racemização, isomerização, foto-oxidação ou outros processos de decomposição;

Bioprocessos/Enzimas

BIOTECNOLOGIA

-^ Compostos

voláteis

podem

ser^

fixados,

evitando-se

a^ sua

perda

por

evaporação;

-^ Compostos

líquidos

podem

ser^

transformados

em^

pós,^

para^

posterior

incorporação em formas sólidas;

• Compostos incompatíveis podem ser misturados, quando um deles for complexado;

-^ O^

sabor

e^ odor

desagradáveis

de^

algumas

substâncias

podem

ser

mascarados;

-^ Produtos

facilmente

solúveis

para

preparações

injetáveis,

podem

ser

obtidos por liofilização com ciclodextrinas;

• Liberação controlada de fármacos - As ciclodextrinas e seus complexos são geralmente não higroscópicos, possibilitando a preparação de comprimidos com características melhores; - O efeito da complexação com ciclodextrinas, que aumenta a solubilidade ou a velocidade de dissolução de uma substância ativa, pode melhorar a respectivabiodisponibilidade após administração oral.

Bioprocessos/Enzimas

BIOTECNOLOGIA^ •^ α -galactosidase

: Catalisa as reações de hidrólise das ligações glicosídicas

α-(1-6)

dos^ oligossacarídeos

que

possuem

a^ galactose

na^

estrutura

molecular

(rafinose,

estaquiose). •^ β-galactosidase

ou^

lactase

:^ Catalisa

as^

reações

de^

hidrólise

das

ligações

glicosídicas

β-(1-4)

dos oligossacarídeos

que

possuem

a^ galactose

na^

estrutura

molecular. Os seres humanos sintetizam essa enzima, principalmente na infânciaquando

o^ consumo

de^

lactose

é^ maior.

A^ falta

de^

lactase

no^

organismo

causa

flatulência e diarreia

pois a lactose não pode ser hidrolisada e absorvida no trato

digestivo,

sendo

fermentada

por microorganismos.

(Lactose

é^ um

dissacarídeo

formado por galactose e glicose unidas por ligações glicosídicas

β-(1-4).

-^ Celulases,

hemicelulases

e^ fenoloxidases

:^ catalisam

reações

de^

hidrólise

da

celulose, hemiclulose e lignina.

Celulose: polissacarídeo estrutural mais abundante na natureza formado por unidades de glicose unidas por ligações glicosídicas

β-(1-4). O peso molecular varia

de 200.000 a 2.000.000;

hemicelulose (polioses): polímero heterogêneo constituídos por galactose, xilose e arabinose principalmente, além de outros monossacarídeos e ácido urônico.

Bioprocessos/Enzimas

BIOTECNOLOGIA

Lignina: composta basicamente de unidades de fenilpropano formando uma macromolécula tridimensional e amorfa, representando de 20 a 30% do total da madeira. A biodegradação da celulose

é feita pela ação de três grupos de enzimas que atuam

sinérgicamente: endo-glucanase; exoglucanase;

β-glucosidase.

As endo-glucanases catalisam a hidrólise das moléculas de celulose internamente, aoacaso, produzindo fragmentos de celulose denominados de oligômeros, que servem desubstrato para as exo-glucanases que por sua vez catalisam externamente a hidrólisedessas moléculas à celobiose. As

β-glucosidases catalisam a hidrólise da celobiose até

glicose. O grau de sinergismo das celulases é bastante grande. A atividade relativa da cada grupode enzimas atuando de maneira isolada é bastante baixa, enquanto que, os três gruposem conjunto, permitem a hidrólise total da celulose com rendimento superior a 100%.