Cinética Microbiana

Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos Cinética Microbiana Engenharia Bioquímica Paulo Duarte Filho Maio/2006

Hidrólise Glicose Piruvato Produtos de Fermentação ( lactato, álcoois, ácidos, etc.) 6 ATP 8 ATP 30 ATP Ciclo de Krebs Respiração Anaeróbia (CO2, SO42-, NO3-) CO2 O2 Respiração Aeróbia Figura 1: Esquema simplificado de processos aeróbios e anaeróbios

Processos aeróbios: oxigênio como aceptor final de elétrons; • Processos anaeróbios: • Fermentativos: Utilizam produtos da degradação do substrato. • Anóxicos: Utilizam compostos inorgânicos. Rendimento Energético Processos aeróbios > Processos anaeróbios

Estudo Cinético Processo obedece ao princípio de conservação da matéria Substrato Fonte de Nitrogênio Elementos minerais: Fósforo, enxofre, cobre, cácio, etc. Síntese Manutenção

Métodos para avaliação de crescimento de microrganismos Fisiologia do microrganismo! Métodos Diretos • Determinação da concentração celular • Contagem no microscópio; • Contagens com cultura; • Contagem eletrônica. Não se aplicam a m.o. filamentosos

Figura 2: Contagem em Câmara de Neubauer

Figura 3: Contagem de Células Viáveis em placas

Determinação da biomassa microbiana • Matéria seca; • Medidas óticas. Figura 4: Separação de células por filtração

Métodos Indiretos • Constituintes celulares (ATP, DNA, NADH); • Dosagem de elementos do meio de cultura (substrato, consumo de O2, propriedades reológicas do meio de cultura, entre outros.

Microrganismo Nutrientes Preparo do meio Preparo do inóculo Esterilização do meio Fermentador Controles Produto Esterilização do ar Recuperação do produto Ar Resíduo Tratamento de efluente Processo Fermentativo Figura 5: Etapas de um processo fermentativo

Obtenção de uma curva de crescimento para um M.O. Figura 6: Processo para obtenção de uma curva de crescimento

Curva de crescimento Condições favoráveis ao microrganismo Figura 7: Curva típica de crescimento bacteriano

Fase lag • Rearranjo do sistema enzimático (síntese de enzimas); • Traumas físicos (choque térmico, radiação, entre outros); • Traumas químicos (produtos tóxicos, meio de cultura). Não há variação da concentração de biomassa no tempo, portanto: Xo = concentração celular no tempo t =0 • Fase intermediária • Aumento gradativo da concentração celular

Fase log ou exponencial • Células plenamente adaptadas; • Velocidades de crescimento elevadas; • Consumo de substrato; • Interesse prático. • Fase de redução de velocidade • Diminuição da concentração de substrato limitante; • Acúmulo de produto(s) no meio • Fase estacionária • Término do substrato limitante; • Acúmulo de produtos tóxicos; • Concentração celular constante em seu valor máximo.

Fase de declínio • Redução do crescimento celular; • Consumo de material intracelular (lise). • Não só para a concentração celular se dispõe de gráficos, mas também para o consumo de substrato e formação de produto.

Biomassa Produto Concentração (g/L) Substrato Tempo de Cultivo (h) Figura 8: Curvas de biomassa, substrato e produto

Dispondo de um conjunto de dados experimentais de X, S e P em função do tempo tem-se: Consumo Formação Crescimento Não são os melhores parâmetros para se avaliar o estado em que se encontram o sistema.

Velocidades específicas: • Crescimento: • Consumo de substrato: • Formação de produto: Distribuindo os dados da fase exponencial em coordenadas semilogarítmicas, tem-se:

Como essa fase tem a distribuição de uma reta a velocidade específica de crescimento é constante e máxima. X0i= Concentração celular no instante de início da fase exponencial Rearranjando a equação anterior: Ou, re-escrevendo de outra forma, tem-se:

Assim, pode-se obter o tempo de duplicação da biomassa, onde X=2X0i: Fator de conversão de substrato a células X0= Concentração celular inicial X= Concentração celular no instante t S0= Concentração inicial do substrato S= Concentração residual do substrato no instante t.

Este parâmetro é importante para a determinação de X em cultivo de fungos filamentosos e em processos de tratamento de efluentes. O fator de conversão pode ser obtido também através de: Coeficiente de Manutenção Velocidade específica de consumo de substrato para manutenção da viabilidade celular

Produtividade X0= Biomassa inicial; XF= Biomassa final; TF= Tempo total de cultivo. Exercícios • Candida utilis cresce em glicerol com velocidade específica de crescimento máxima de 0,095 h-1. Qual o tempo necessário para esse microrganismo duplicar a sua massa na fase exponencial de crescimento de um processo batelada?

2. Qual a diferença entre respiração e fermentação? • 3. Quais os principais elementos químicos de que é composta a célula? 4. Cite exemplos práticos de aplicação industrial de leveduras, bactérias e mofos. 5. Quais os principais substratos utilizados na indústria para processos fermentativos? 6. Em uma fermentação batelada a volume constante foram obtidos os seguintes dados experimentais: Pede-se:

Identificar as diversas fases de crescimento do microrganismo; • O tempo que o microrganismo leva para duplicar a sua massa na fase exponencial de crescimento; • A produtividade máxima em células que pode ser obtida desse processo

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