Cintica de processos fermentativos

Cintica de processos fermentativosVariao das concentraes de um ou mais componentes do sistema, em funo do tempo de fermentao. (Concluses empregando apenas valores iniciais e finais no constituem estudo cintico, e tm pouco valor para o desenvolvimento de um processo.)Componentes: clulas (ou biomassa), produtos do metabolismo, nutrientes ou substratos.Os valores experimentais, representados em funo do tempo, permitem traar curvas de ajuste.

Consideraes Para o estudo cintico, escolhe-se o produto de interesse econmico, e, quanto aos substratos, adota-se o substrato limitanteO estudo cintico fundamental para a transposio de escalaO estudo cintico possibilita a comparao entre diferentes condies de cultivo, empregando-se os parmetros envolvidosO(s) critrio(s) de comparao deve(m) ser escolhido(s) de acordo com sua importncia para o processo em estudo.A determinao da concentrao celular no meio constitui uma das dificuldades para um estudo cintico preciso, mesmo em meio aquoso e cultura pura.Em processos com cultura mista e slidos em suspenso, o problema ainda maior.Outros casos: clulas floculantes ou filamentosas, clulas imobilizadas em suportes inertes ou biodegradveis e clulas em meio slido.Substrato parcialmente insolvel ou substrato em meio slido (dificuldade de dosagem).

Tipos de processos fermentativosQuanto forma de conduo do processoDescontnuoDescontnuo alimentadoContnuo Semi-contnuo(e suas variaes)Quanto ao tipo de crescimento do microrganismoSubmersoEm superfcieQuanto ao fornecimento de oxignioAerbioAnaerbioQuanto ao estado fsico do meioEm meio lquidoEm meio slido

Parmetros estequiomtricos relacionados com a cintica de crescimentoFator de converso de substrato em clulas:

S = Sbiomassa + Sproduto + Senergia cresc. + Senergia manut.Lembrar que o substrato consumido tem vrios destinos:

Fator de converso de oxignio em clulas:

Fator de converso de substrato em produto:

Coeficiente de manuteno celular:

Alguns valores tpicos:Para crescimento de bactrias e leveduras (maioria) em meio aerbio com glicose: YX/S = 0,4 a 0,6 g/g e YX/O2 = 0,9 a 1,4 g/gSubstrato metano:YX/S = 0,6 a 1,0 g/g e YX/O2 0,2 g/gPara crescimento em meio anaerbio, estes valores so substancialmente menores.

Crescimento aerbio e anaerbio de Streptococcus faecalis em meio contendo glicose como substrato.Exerccio: Uma cepa de fungo filamentoso foi crescida em cultivo descontnuo em meio contendo glicose como substrato, obtendo-se os dados da tabela abaixo.Tempo (h)Conc. Celular (g/L)Conc. Glicose (g/L)0 1,25100,09 2,45 97,016 5,1 90,42310,5 76,93022,0 48,13433,0 20,63637,5 9,384041,0 0,63Calcule a velocidade especfica de crescimento mxima.Calcule o fator de converso de substrato em clulas aparente.Se a concentrao inicial de substrato fosse 150 g/L, qual seria a concentrao celular mxima esperada (para o mesmo Xo)?

Concentrao celular (--) e concentrao de glicose (--) em funo do tempo durante o crescimento de um fungo filamentoso em sistema de descontnuo (referente ao exerccio do slide anterior).

Efeito das condies de cultivo sobre a cintica de crescimentoTemperaturaVelocidade de crescimento duplica a cada 10 oC at a temperatura timaAcima da temperatura tima a velocidade decresce, podendo haver morte celular

R e kd variam com a temperatura de acordo com a equao de Arrhenius.

O coeficiente de manuteno aumenta com o aumento da temperatura em valores acima da temperatura tima. Assim, o fator de converso YX/S diminui.

A temperatura pode tambm afetar a etapa limitante de velocidade de um processo fermentativo:Se, numa determinada temperatura, a velocidade de uma biorreao se torna maior que a velocidade de difuso, a difuso ser uma etapa limitante da velocidade do processo (p.e., em sistemas de clulas imobilizadas).pHO pH afeta a atividade enzimtica e, portanto, a velocidade de crescimento celular.

OrganismoFaixa de pH timoBactrias 3,0 a 8,0Leveduras3,0 a 6,0Fungos filamentosos3,0 a 7,0Clulas vegetais5,0 a 6,0Clulas animais6,5 a 7,5Alguns valores tpicos de faixa de pH timo de crescimento.Muitos organismos tem mecanismos para manter o pH intracelular constante quando ocorre flutuao deste no meio.Quando o pH do meio difere do valor timo, o requerimento de energia para manuteno aumenta, afetando a velocidade de crescimento.

Oxignio dissolvidoO oxignio pode ser um substrato limitante, uma vez que pouco solvel em guaEm altas concentraes celulares o consumo de oxignio pode ser maior que o fornecimento, levando a uma limitao em oxignioQuando o oxignio o fator limitante do crescimento, a velocidade especfica de crescimento varia de acordo com a cintica de saturaoAcima da concentrao de oxignio crtica a velocidade de crescimento independente da concentrao de OD.

Alguns valores tpicos de concentrao de oxignio crtica:5% a 10% da concentrao de saturao para bactrias e leveduras10% a 50% da concentrao de saturao para fungos filamentosos, dependendo do tamanho dos pellets.Obs.: Concentrao de saturao de oxignio em gua (a 25 oC e 1 atm) = 7ppmA presena de sais e compostos orgnicos dissolvidos alteram a concentrao de saturao, e, quanto maior a temperatura menor seu valor.

A transferncia de oxignio da fase gasosa para a fase lquida dada por:A velocidade de consumo de oxignio pelas clulas dada por:

Quando a transferncia de oxignio a etapa limitante, a velocidade de consumo de oxignio igual velocidade de transferncia:

Outros fatores que podem influenciar a velocidade de crescimento:Potencial redoxConcentrao de dixido de carbono dissolvidoConcentrao de alguns saisConcentrao de substrato

Concentraes de Carboidratos Redutores Totais durante o crescimento de Klebsiella pneumoniae em meio centrifugado (--) e no centrifugado (--) aps a adio de nutrientes e ajuste do pH.