cinética microbiana departamento de engenharia química e engenharia de alimentos engenharia...

Cinética Microbiana

Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos

Engenharia Bioquímica

Maio/2006

Paulo Duarte Filho

Hidrólise

Glicose Piruvato

8 ATP

Ciclo de Krebs

30 ATP

CO2 O2

Produtos de Fermentação( lactato, álcoois, ácidos, etc.)

6 ATP

Respiração Aeróbia

Respiração Anaeróbia

(CO2, SO42-, NO3

-)

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

OGHFCONOHECOHDNHBOOHAC cba 2242

Substrato

Síntese Manutenção

Fonte de Nitrogênio

Elementos minerais: Fósforo, enxofre, cobre, cácio, etc.

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.

Processo Fermentativo

Fermentador

Microrganismo

Preparo do inóculo

Nutrientes

Preparo do meio

Esterilização do meio

Controles

Esterilização do ar

Recuperação do produtoAr

Tratamento de efluente

Produto

Resíduo

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:

XocteX 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.

Con

cent

raçã

o (g

/L)

Tempo de Cultivo (h)

Biomassa

Produto

Substrato

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:

dt

dp

dt

ds

dt

dxpsx ;;

Crescimento Consumo Formação

Não são os melhores parâmetros para se

avaliar o estado em que se encontram o sistema.

Velocidades específicas:

• Crescimento:

dt

dX

X

1

• Consumo de substrato:

dt

dS

Xs

1

• Formação de produto:

dt

dP

Xp

1

Distribuindo os dados da fase exponencial

em coordenadas semilogarítmicas, tem-se:

dt

dX

Xdt

Xd 1)ln(

Como essa fase tem a distribuição de uma reta a velocidade específica de crescimento é constante e máxima.

)(loglog 0 imi ttXX X0i= Concentração celular no instante de início da fase exponencial

Rearranjando a equação anterior:

)(0

titi

meXX

Ou, re-escrevendo de outra forma, tem-se:

tXX mi 0lnln

Assim, pode-se obter o tempo de

duplicação da biomassa, onde X=2X0i:

m

Tdup

2ln

Fator de conversão de substrato a células

SS

XXY SX

0

0/

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:

SSXY

/

Coeficiente de Manutenção

SXSS Y

m/'

Velocidade específica de consumo de substrato para manutenção da viabilidade celular

Produtividade

F

F

T

XXP 0

X0= Biomassa inicial;

XF= Biomassa final;

TF= Tempo total de cultivo.

Exercícios

1. 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:

T(h) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

X(g/L) 1 1.1 1.6 2.5 3.8 5.9 7 7.9 8.5 8.5 9.3 9.6 9.3 9.5

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