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