Departamento de Engenharia Química e
Engenharia de Alimentos
Engenharia Bioquímica
Cinética Microbiana
Paulo Duarte Filho
Maio/2006
Hidrólise
Glicose
Piruvato
Produtos de Fermentação
( lactato, álcoois, ácidos, etc.)
8 ATP
6 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
ACa HbOc  BO2  DNH4OH  EC H  O N  FCO2  GH2O
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.
Processo Fermentativo
Microrganismo
Nutrientes
Preparo do meio
Preparo do
inóculo
Esterilização do meio
Fermentador
Ar
Esterilização
do ar
Controles
Recuperação
do produto
Produto
Resíduo
Tratamento de
efluente
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:
X  cte  Xo
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.
Concentração (g/L)
Biomassa
Produto
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:
dx
ds
dp
x  ; s   ;  p 
dt
dt
dt
Crescimento
Consumo
Formação
Não são os melhores parâmetros para se
avaliar o estado em que se encontram o sistema.
Velocidades específicas:
• Crescimento:
1 dX

X dt
• Consumo de substrato:
• Formação de produto:
1 dS
s  
X dt
1 dP
p 
X dt
Distribuindo os dados da fase exponencial
em coordenadas semilogarítmicas, tem-se:
d ln( X ) 1 dX


dt
X dt
Como essa fase tem a distribuição de uma
reta a velocidade específica de crescimento é
constante e máxima.
log X  log X 0i   m (t  ti )
X0i= Concentração celular no instante de início da fase
exponencial
Rearranjando a equação anterior:
X  X 0i e
m (t ti)
Ou, re-escrevendo de outra forma, tem-se:
ln X  ln X 0i   m t
Assim,
pode-se
obter
o
tempo
duplicação da biomassa, onde X=2X0i:
Tdup 
ln 2
m
Fator de conversão de
substrato a células
YX / S
X  X0

S0  S
X0= Concentração celular inicial
X= Concentração celular no instante t
S0= Concentração inicial do substrato
S= Concentração residual do substrato no instante t.
de
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:
YX / S


S
Coeficiente de Manutenção
 S  mS 

Y
'X / S
Velocidade específica de consumo de substrato
para manutenção da viabilidade celular
Produtividade
XF  X0
P
TF
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