Cinética Microbiana
Sacarose
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.
Rendimento Energético
Processos aeróbios > Processos anaeróbios
BALANÇO ENERGÉTICO NA
RESPIRAÇÃO
Calor
212 kcal
(56%)
O2
100g de
Açúcar
264g de
CO2
47g
Biomassa
380 kcal
(100%)
108 g de
H 2O
ATP
168 kcal
(44%)
38
ATP
BALANÇO ENERGÉTICO NA
FERMENTAÇÃO
Calor
380 kcal
(4,6%)
100g de
Açúcar
51,1g de
Álcool
380 kcal
(100%)
380 kcal
48,9g de
CO2
(100%)
ATP
9 kcal
1-5 g de
Biomassa
(2,4%)
2
ATP
Estudo Cinético
Processo obedece ao princípio de conservação da matéria
CWHXOYNZ+aO2+bHgOhNi
Substrato
cCHjOkN1+dCO2+eH2O+fCmHpOqNr
Fonte de Nitrogênio
Elementos minerais: Fósforo,
enxofre, cobre, cácio, etc.
Síntese
Manutenção
Estudo Cinético
Processo obedece ao princípio de conservação da matéria
CWHXOYNZ+aO2+bHgOhNi
cCHjOkN1+dCO2+eH2O+fCmHpOqNr
Carbono:
w=c+d+fm
Hidrogênio: x+bg=cj+2e+fp
Oxigênio: y+2a+bh=ck+2d+e+fg
Nitrogênio:
z+bi=cl+fr
A composição da fonte de carbono, em principio é conhecida;
A composição da média da biomassa, também é conhecida;
Portanto resultam: quatro equações
seis incógnitas
Como prosseguir?
Quando se pretende produzir biomassa o número de incógnitas se reduz a cinco;
O quociente d/a=quociente respiratório é um dado experimental;
Assim o sistema com quatro equações permite determinar os coeficientes
estequíométricos a, b, c, d, e
Estudo Cinético
Processo obedece ao princípio de conservação da matéria
CWHXOYNZ+aO2+bHgOhNi
Substrato
cCHjOkN1+dCO2+eH2O+fCmHpOqNr
Fonte de Nitrogênio
Elementos minerais: Fósforo,
enxofre, cobre, cácio, etc.
Síntese
Manutenção
ESTEQUIOMETRIA
•
GRAU DE REDUÇÃO: número de moles de eltrons disponíveis por átomo
grama de carbono para serem transferidos para o oxigênio
Considera-se H, como unidade de potencial de redox;
(C, O, N, S, P) = (+4, -2, -3, 6, 5)
Define-se um composto neutro para cada elemento:
Carbono: (CO2)
Oxigênio: (H2O)
Nitrogênio:(NH3)
Enxofre: H2SO4
Fósforo: H3PO4
O grau de redução da fonte de carbono da biomassa e do produto pode ser
calculado por:
ys=(4w+x-2y-3z)/w
yb=4+j-2k-3l
yp=(4m+p-2q-3r)/m
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
Concentração (g/L)
Biomassa
Produto
Substrato
Tempo de Cultivo (h)
Figura 7 : Curvas de crescimento de biomassa,
consumo de substrato e formação produto
Curva de crescimento
Condições favoráveis ao microrganismo
Figura 8: 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 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).
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:
1 dX

X dt
• Crescimento:
• Consumo de substrato:
• Formação de produto:
1 dS
s  
X dt
1 dP
p 
X dt
Distribuindo os dados da fase
coordenadas semilogarítmicas, tem-se:
d ln( X ) 1 dX


dt
X dt
exponencial
em
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 de 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.
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.