Cin

1
Cinética Microbiana
Departamento de Engenharia Química e Engenharia
de Alimentos
Engenharia Bioquímica
Paulo Duarte Filho
Maio/2006
2
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
3

• 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 gt Processos anaeróbios
4
Estudo Cinético
Processo obedece ao princípio de conservação da
matéria
Substrato
Fonte de Nitrogênio
Elementos minerais Fósforo, enxofre, cobre,
cácio, etc.
Síntese
Manutenção
5
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
6
Figura 2 Contagem em Câmara de Neubauer
7
Figura 3 Contagem de Células Viáveis em placas
8

• Determinação da biomassa microbiana

• Matéria seca
• Medidas óticas.

Figura 4 Separação de células por filtração
9
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.

10
Processo Fermentativo
Figura 5 Etapas de um processo fermentativo
11
Obtenção de uma curva de crescimento para um M.O.
Figura 6 Processo para obtenção de uma curva de
crescimento
12
Curva de crescimento
Condições favoráveis ao microrganismo
Figura 7 Curva típica de crescimento bacteriano
13

• 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
Xo concentração celular no tempo t 0

• Fase intermediária

• Aumento gradativo da concentração celular

14

• 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.

15

• 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.

16
Biomassa
Produto
Concentração (g/L)
Substrato
Tempo de Cultivo (h)
Figura 8 Curvas de biomassa, substrato e produto
17
Dispondo de um conjunto de dados experimentais
de X, S e P em função do tempo tem-se
Consumo
Formação
Crescimento
Não são os melhores parâmetros para se
avaliar o estado em que se encontram o sistema.
18
Velocidades específicas

• Crescimento

• Consumo de substrato

• Formação de produto

Distribuindo os dados da fase exponencial em
coordenadas semilogarítmicas, tem-se
19
Como essa fase tem a distribuição de uma
reta a velocidade específica de crescimento é
constante e máxima.
X0i Concentração celular no instante de início
da fase exponencial
Rearranjando a equação anterior
Ou, re-escrevendo de outra forma, tem-se
20
Assim, pode-se obter o tempo de duplicação da
biomassa, onde X2X0i
Fator de conversão de substrato a células
X0 Concentração celular inicial X Concentração
celular no instante t S0 Concentração inicial do
substrato S Concentração residual do substrato
no instante t.
21
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
Coeficiente de Manutenção
Velocidade específica de consumo de
substrato para manutenção da viabilidade celular
22
Produtividade
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?

23

• 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
24

• 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