Biotecnologia: do Passado ao Futuro

Biotecnologia: do passado ao futuro

Daniel I. P. Atala

Engenheiro de Alimentos

[email protected]

Física para Poetas

Marcelo Gleiser – Universidade de Dartmouth

Resumo da Apresentação

PassadoLinha do tempoMistérios

Hoje Futuro

O que é Biotecnologia?

Biologia Química

Engenharia

ba

c

d

a = Engenharia Bioquímicab = Química Industrialc = Bioquímicad = Biotecnologia Industrial

Considerações

Os processos biotecnológicos vêm sendo utilizados pela humanidade desde a mais remota antiguidade.

A Biotecnologia somente passou a ser considerada altamente prioritária há relativamente pouco tempo.

A Multidisciplinar Biotecnologia

A Biotecnologia encontra muitas e diferentes aplicações importantes em vários segmentos de atividade: Agricultura Mineração Pecuária Saúde Indústria

Suas aplicações na indústria constituem o objetivo principal da chamada Biotecnologia Industrial.


Agricultura: Cultura de Tecidos; Fixação de Nitrogênio; Controle Biológico de Pragas; Sementes.

Mineração: Cobre, urânio e zinco são exemplos de minerais

que podem ser recuperados através de lixiviação bacteriana.


Pecuária: Inseminação Artificial; Transferência de Embriões;

Saúde Antibióticos; (+ 5000 tipos diferentes) Proteínas reguladoras do metabolismo; (inulina,

inteferon) Vacinas;


Processos Fermentativos Enzimas; Ácidos Orgânicos; Aminoácidos; Vitaminas; Biopolímeros; Bioaromas;

Bebidas Alcoólica; Solventes; Microrganismos; Alimentos. Biocombustível Biomassa

Passado: A linha do Tempo

O uso da Biotecnologia teve o seu início com os processos fermentativos, cuja utilização transcende, de muito, o início da era Cristã, confundindo-se com a própria história da humanidade.

A produção de bebidas alcoólicas pela fermentação de grãos de cereias já era conhecida pelos sumérios e babilônios antes do ano 6.000 a.C.

6000 a.C.

Pré-História


Mais tarde, por volta do ano 2.000 a. C., os egípcios, que já utilizavam o fermento para fabricar cerveja, passaram emprega-lo também na fabricação de pão.

6000 a.C.

2000 a.C.

Pré-História

O desconhecido

Misticismo; Bruxaria; Alquimistas.


1150 - Produção de destilados a partir do vinho; 1300 – Estabelecimento da industria de vinagre; 1580 – Tycho Brahe monta um conjunto óptico para

observar o sistema solar. 1610 – Galileo inventa o telescópio

2000 a.C.

1150 d.C.

Era Pré-Pasteur

1300 d.C. 1580 d.C. 1610 d.C.


1700 – Antonie van Leeuwenhoek inventa o microscópio

1610 d.C.

Era Pré-Pasteur

1700 d.C.


1789 – Lavoisier mostra que fermentação produz CO2

1810 – Gay – Lussac deduz o balanço de massa da produção química do etanol a partir da glicose

C6H12O62 C2H5OH + 2 CO2

1700 d.C.

Era Pré-Pasteur

1789 d.C. 1810 d.C.


1900 – Louis Pasteur:

1810 d.C.

1900 d.C.


1900 – Louis Pasteur: provou que a causa das fermentações era a ação de seres minúsculos, os microrganismos, caindo por terra a teoria, até então vigente, que a fermentação era um processo puramente químico.

Foi ainda Pasteur que provou que cada tipo de fermentação era realizado por um microrganismo específico e que estes podiam viver e se reproduzir na ausência de ar.

1700 d.C.

1900 d.C.


Foram as grandes guerras mundiais que motivaram a produção em escala industrial de produtos advindos de processos fermentativos.

A partir da primeira guerra, a Alemanha, que necessitava de grandes quantidades de glicerol para a fabricação de explosivos.

1900 d.C.

1° Guerra Mundial


Por outro lado, a Inglaterra produziu em grande quantidade a acetona para a fabricação de munições, tendo essa fermentação contribuído para o desenvolvimento dos fermentadores industriais e técnicas de controle de infecções.

Produção de acetona, butanol, glicerol e ácido cítrico.

1900 d.C.

1° Guerra Mundial


Foi, todavia, a produção de antibióticos o grande marco de referência na fermentação industrial. A partir de 1928, com a descoberta da penicilina por Alexandre Fleming, muitos tipos de antibióticos foram desenvolvidos no mundo

1° G.M.

1928


Na década de 40, durante a segunda guerra mundial, os antibióticos passaram a integrar os processos industriais fermentativos, principalmente nos Estados Unidos, basendo-se inicialmente na síntese da penicilina e, posteriormente, da estreptomicina.

1928

1940


1940-1960 Descoberta de muitos outros antibióticos; Produção industrial da Penicilina; Desenvolvimento de Bioreatores (sistema de aeração

e assepsia);

1940

1940-1960


1950-1975: Nova Biotecnologia – Foi, todavia, a partir da década de 50 que a Biotecnologia, com a descoberta da síntese química do DNA, e com as técnicas de manipulação genética: DNA recombinante, fusão celular ou hibridoma, passou de fato a existir

1960

1950 - 1975


1980 – Atual: Desenvolvimento de processos enzimáticos;

Engenharia Genética; Evolução dos bioprocessos; Evolução da informática; Modelagem e simulação de bioprocesos; Instrumentação e controle de Bioprocessos; Surgimento da Nanotecnologia

1975

1980 - 2006

Tendências para o Futuro

Tendências para o Futuro

Nanotecnologia; Engenharia Genética; Bioinformática; Modelagem e Simulação; Processos Fermentativos; Técnicas Analíticas; Seleção de novos M.O. em especial leveduras; Células Troncos Genoma

Conseqüências desta mistura!

Surgimento das Biorrefinarias; Surgimento de nanovacinas; Miniaturização de reatores bioquímicos; Desenvolvimento de biocatalizadores mais eficientes e

robustos; Desenvolvimento das bioindustrias;

Biorrefinaria

Sucroquímica

Frutose e glucose

Ác. Glucónico

Ác. cítrico

Ác. FumáricoÁcido oxálico

Ésteres de Sacarose

Ác. propiónico 2,3-Butanodiol

Aminoácidos

Ác. itacónico

Ácido oxálico

Ác. málico Xantan

1,3-Propanodiol

Dextran

Açúcar, caldo e melaço, (hexosas de bagaço)

PHB

Ácido láctico Polilactinas

PoliesteresSorbitol e

manitol

Glicerol

Levedura e derivados

Acetona e butanol

Álcool química

ETANOL

Óxido de etileno

Polietileno

Etileno

Butadieno

Cloroformo

Éter dietílico

Cloreto de etilo

Desidratação

Poliestireno

PVC

Glicóis

Poliésteres

Butanol

Anhidrido acético

Acetatos

Acetaldeido

Ácido Acético

Crotonaldehido

Etoxilados

Desidrogenação

Octanol

Química do Bagaço

Bagaço

pentosas

Derivados del furfural

furfural hexosas

celulosaAdesivos, plásticos,

surfactantes

Lignina

sucroquímicos

etanol

Xilosa e xilitol

Comunicação

Rede KyaTera – 1TeraBits/s (fibra ótica direto no micro) WebLabs – Laboratórios Reais com aplicações Virtuais

A revolução das Enzimas

Em um futuro não muito distante, todas as reações químicas serão substituídas por reações enzimáticas;

Biocatalizador imobilizado em suporte adequado; Biotranformações conduzidas em baixas condições de

pressão e temperatura.

A revolução das Enzimas

Técnicas Analíticas - PAT

Técnicas Analíticas - PAT

Instrumentação e Controle

Modelagem e Simulação em tempo real

Evaluation of optimization techniques for parameter estimation problems of ethanol fermentation considering the effect of

temperatureElmer Ccopa Rivera, Aline C. Costa, Daniel I. P. Atala, Francisco Maugeri, Maria R. Wolf Maciel, Rubens

Maciel FilhoProcess Biochemistry – in press

0

30

60

90

120

0 4 8 12 16 20 24

Eth

an

ol(k

g/m

3 )

0

65

130

195

260

0 4 8 12 16 20 24

TR

S(k

g/m

3 )

Quase-Newton (biblioteca Fortran) Runge-Kutta de 4ºordem Modelagem do processo 0

4

8

12

16

0 4 8 12 16 20 24

Time (h)

Bio

mas

s (k

g/m

3)

Inteligência Artificial

Software Sensor

pH

TºC

CO2

Turbidez

Substratoin

X

S

P

Entrada CamadasIntermediárias Saída Com a utilização de

uma rede neural bem treinada dados simples de processo como pH, turbidez, CO2 entre outros podem ser usados para estimar variáveis mais complexas;

Obrigado!

Daniel Atala

[email protected]

(19) 3429-8150

www.ctc.com.br

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A evolução da Informática

Ábaco200 d.C.

Pescalina1642

+

Pescalina1673+ X /


Tear com Cartão Perfurado1804

Máquina Diferencial1822

Função trigonométrica


Máquina Analítica1834

Armazenava resultados

Tabulador Hollerich1890IBM


Mark1 1943

•760.000 peças•800 km de fios•420 interruptores para controle•realizava uma soma em 0,3 s•realizava uma multiplicação em 0,4 s•e uma divisão em cerca de 10 s


Colossus – 1943Desenvolvido para quebrar códigos alemães

•25000 caracteres/seg•2000 válvulas

EDVAC - 1951


ENIAC – 1946 1º computador digitalde grande porte

•totalmente eletrônico•17.468 válvulas•500.000 conexões de solda•30 toneladas de peso•180 m² de área construída•5,5 m de altura•25 m de comprimento•2 vezes maior que MARK I•realizava uma soma em 0,0002 s•realizava uma multiplicação em 0,005 s com números de 10 dígitos


LEO - 1951 Univac - 1952

Tradic - 1955


Intel 4004 - 1971 Intel 8080 - 1974

MOS Technology 6502 - 1975

•bastante usado em computadores domésticos•4.300 componentes•soma 2 números de 8 bits em 1 milionésimos de segundo

•primeiro microprocessador

•2.250 componentes

•soma 2 números de 4 bits em 11 milionésimos de segundo

•tornou-se padrão para a indústria dos microcomputadores

•4.500 componentes

•soma 2 números de 8 bits em 2,5 milionésimos de segundo


Bill Gates e Paul Alan 1975

PC 1975


Informática Hoje

Computadores Dual Core 3GHz ou mais de velocidade de clock 3.000.000.000 operações de liga/desliga por segundo!!!

Informática Amanhã

Computador com centenas de núcleos Computador baseado em nanotecnologia Dispositivos de memórias Holográficas Outros… Realidade como Matrix e Minority Report

Modelagem Bioprocessos

Modelos Caixa-Preta

Microrganismo

Substrato + Produto


Modelos Caixa-Cinza

Microrganismo

Substrato + Produto


Modelos Caixa-Branca Estruturados

Microrganismo

Substrato + Produto

História do Álcool


Os antigos egípcios deram o primeiro sinal. Curavam suas moléstias inalando vapor de líquidos fermentados

Os primeiros a destilar uma bebida foram os chineses.

Já os gregos tomaram a dianteira e registraram o processo de obtenção da "acqua ardens", entre 23 e 79 dC, batizada por Plínio, o Velho, de alkuru


Suas propriedades transformaram a água ardente, que pegava fogo, em água da vida, por suas características medicinais. A "Eau de Vie" foi receitada como elixir da longevidade.

Com a expansão do Império Romano, a aguardente invadiu territórios e aprimorou sua tecnologia de produção.


Na Itália, o destilado de uva ficou conhecido como "grappa".

A partir da cereja, a Alemanha desenvolveu o "kirch". A Escócia fez o uísque da cevada maltada. A Rússia destilou vários cereais para obter a vodca. Os japoneses utilizaram o arroz para produzir o saquê Em Portugal, a "bagaceira" era produzida com o

bagaço da uva.

História do Álcool - Uva

Grappa ou graspa ou bagaceira é uma bebida com teor alcoólico de 35% a 54% em

volume, a 20ºC, obtida a partir de destilados alcoólicos simples de bagaço de uva, com ou sem borras de vinhos, podendo ser retificada parcial ou seletivamente.

É admitido o corte com álcool etílico potável da mesma origem para regular o conteúdo de congêneres.

Licor de bagaceira ou grappa é a bebida com graduação alcoólica de 18º a 54º GL


Conhaque é o produto decorrente da destilação de vinho,

geralmente contendo cerca de 40–60% graus Gay-Lussac por volume.

O nome em português é derivado da palavra francesa cognac,

Além do vinho, esta bebida destilada pode ser feita com suco de fruta fermentado.

É usualmente degustado após as refeições.


Pisco é o nome de duas variedades diferentes de aguardente de

uva, produzidas no Chile e no Peru . É baseado fundamentalmente na destilação do

Fermentado proveniente de uvas. Enquanto Peru defende que é uma denominação de

origem (similar a Champanhe, por exemplo), o Chile discute que é um nome genérico (como vinho o uísque), defendendo que a denominação de sua variedade seja de "pisco chileno"

História do Álcool - Batatas

Aquavit ou Akvavit, é um destilado transparente de origem escandinava e é

servido, de preferência, muito gelado. O nome é oriundo do latim aqua vitae, isto é, água da vida.

O aquavit surgiu a primeira vez na Dinamarca e é uma bebida produzida a partir da destilação de batatas ou de cereais e redestilado com aromatizantes tais como grãos de alcaravia (Kümmel), anis-doce, coentro, endro, cravo e canela.

História do Álcool - Cereja

Kirschwasser ou Kirsch é uma bebida resultante da destilação do suco

fermentado de uma pequena cereja negra, típica da Alemanha. Apresenta coloração muito clara, pois não é envelhecida em carvalho, e ao contrário dos licores de cereja, não é uma bebida doce. Faz ainda parte da receita de fondue de queijo

História do Álcool - Cereja

Marrasquino é um licor fabricado a partir de cerejas selvagens, muito

utilizado em Itália. Difere do kirsch por lhe ser adicionada um pequena quantidade de mel e pelo fato de os caroços serem esmagados junto com o fruto

História do Álcool - Sisal

Mezcal e Tequila Assim como a tequila, o mezcal (ou mescal) é uma bebida

alcoólica destilada, produzida com o sumo do agave (Sisal). O mezcal diferencia-se da tequila por ser mais "rústica",

sendo em geral destilada apenas uma vez, contra duas ou três da tequila.

Além do processo de elaboração diferente, o mezcal não está enquadrado nas Normas do governo mexicano que regula toda a produção da tequila.

Larva da bebida

História do Álcool - Cereais

Gin é uma bebida destilada à base de cereais e zimbro. É

considerada uma bebida muito forte. Teve origem nos Países Baixos no século XVII.

Depois de destilado, o Gin sai do alambique com um teor alcoólico muito elevado, inapto ao consumo. Para reduzir essa teor alcoólico é adicionada água destilada. A aromatização é feita com bagas de zimbro, cujo óleo transmite à bebida o sabor que a caracteriza.

Seu teor alcoólico varia entre os 43 e 47º.


Vodca é uma popular bebida destilada, incolor, quase sem sabor

e com um teor alcoólico entre 35 e 60%. A vodca é a bebida nacional da Rússia. O nome vodca é

o diminutivo de "água" (agüinha) A vodca é um destilado obtido a partir de cevada, milho,

trigo, centeio, ervas, figos e batatas, fermentados; Fermentação – destilação – retificação – correção


Uísque (whisky ou whiskey) é uma bebida alcoólica destilada de grãos, muitas vezes

incluindo malte envelhecida em barris; Maturação de 8 anos em barril de carvalho a Escócia se tornou a pátria do melhor uísque do planeta.

Puro malte Blended (milho ou arroz) Uísque leve (destilação neutra + ginja)

História da Cachaça

A cana de açúcar chegou ao Brasil trazida da Ilha da madeira pelos portugueses, ainda no séc. XVII.

No engenho de Martin Afonso de Souza, da capitania de São Vicente, logo descobriram o vinho da cana, conhecido como "garapa azeda", líquido restante dos tachos de rapadura, que servia de alimento para os animais.

Estes animais, na sua grande maioria eram porcos (suínos) Cachaços - Cachaça


Inicialmente, os escravos passaram a tomar esta bebida apenas fermentada.


Foram eles também que começaram a destilar a mistura. Pinga Água-Ardente (Aguardente)

Produto típico brasileiro Melhoria da qualidade Melhoria da Produção Anísio Santiago / Havana (R$ 150,00/garrafa)

História do Vinho

História do Vinho

Repleto de simbologia, impregnado de religiosidade e de misticismo, o vinho surge desde muito cedo na nossa literatura, tornando-se fonte de lendas e inspiração de mitos.

Algumas expressões: dádiva de deuses Sangue de Cristo, e essência da própria vida

História do Vinho

O vinho não teve que esperar para ser inventado: ele estava lá, onde quer que uvas fossem colhidas e armazenadas em um recipiente que pudesse reter seu suco.

Há inúmeras lendas sobre onde teria começado a produção de vinhos e a primeira delas está no Velho Testamento. O capítulo 9 do Gênesis diz que Noé, após ter desembarcado os animais, plantou um vinhedo do qual fez vinho, bebeu e se embriagou.

História do Vinho

Vinho no Brasil Região Sul – Bento Gonçalves; Região Nordeste – Vale do Rio São Francisco

(Petrolina); Enólogos Sommelier Vinhos/Espumantes

História da Cerveja


Até chegar ao atual estágio, a cerveja percorreu um longo caminho. Muita gente ainda acredita que o líquido tenha se originado na região da atual Alemanha, de onde teria se espalhado para o restante da Europa durante a Idade Média.


Muita coisa mudou desde que os primeiros barris desembarcaram no Rio de Janeiro, nos porões dos navios que trouxeram a Família Real portuguesa para o exílio no Brasil, em 1808.

Sabe-se que o próprio príncipe regente Dom João, notório apreciador da cerveja, foi um dos principais responsáveis por sua difusão.

História do Pão

História do Pão

O pão foi certamente um dos primeiros alimentos já elaborados e relativamente transformados pelo homem, na transição da Pré-História para a História.

A panificação já pressupõe um estágio cultural mais complexo. Mais não ainda a panificação fermentada.

O mais provável é que as primeiras formas um pouco mais elaboradas do consumo de grãos tenham sido papas e mingaus obtidos a partir do cozimento na água

História do Pão

Quanto à panificação propriamente dita, aquela do pão fermentado e conseqüentemente mais macio, tudo indica que tenha acontecido por acaso, ou por engano.

Bastou que alguém tivesse esquecido uma quantidade de farinha úmida por um pouco mais de tempo antes de levá-la ao calor para que essa massa de alguma forma fermentasse espontaneamente, produzindo bolachas ou focacce bem mais macias e saborosas do que de costume.

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