Universidade de So Paulo Escola de Engenharia de

Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de Lorena Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia Industrial Engenharia Bioquímica I Prof. Júlio César dos Santos

Cinética do crescimento microbiano Ø O estudo cinético de um processo fermentativo consiste inicialmente na análise da evolução dos valores de concentração de um ou mais componentes do sistema de cultivo, em função do tempo de fermentação.

Cinética do crescimento microbiano P. . . Produto de interesse S… Substrato limitante X… Concentração celular SCHMIDELL, W. ; LIMA, U. A. ; AQUARONE, E. ; BORZANI, W. Biotecnologia Industrial. Volume 2: Engenharia Bioquímica. São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda, 2001. ISBN 978 -85 -212 -0279 -0.

Cinética do crescimento microbiano ü Representam o ponto de partida para a descrição quantitativa de uma fermentação (ex. : a identificação da duração do processo – qual o tempo final de fermentação? ) ü O estudo cinético é fundamental pra o dimensionamento de biorreatores (sem o conhecimento da cinética torna-se inviável a transposição de um experimento de laboratório para a escala industrial)

Cinética do crescimento microbiano ü A cinética possibilita também uma comparação quantitativa entre as diferentes condições de cultivo (p. H, temperatura, etc. ), por intermédio de variáveis, como: as velocidades de transformação e os fatores de conversão, obtidos também a partir das curvas de ajuste. ü Os critérios de comparação entre diferentes condições são relativos, isto é, dependem do que se espera obter de um determinado processo fermentativo.

Cinética do crescimento microbiano ü Assim, quando o tempo de duração da fermentação for de primordial importância por razões econômicas, as produtividades devem ser empregadas como referências numéricas. ü Afirmar que um determinado valor de p. H, por exemplo, é melhor que um outro, pode ser equivalente a dizer que o fator de conversão é maior no primeiro que no segundo caso.

Cinética do crescimento microbiano ü Objetivos principais : ü Medir a velocidade das transformações que ocorrem durante a fermentação ü Estudar a influência de variáveis de processo nestas velocidades (p. H, temperatura, etc. ) ü Correlacionar, por meio de equações empíricas ou modelos matemáticos, as velocidades com as variáveis que nela interferem ü Aplicar as equações na otimização e controle do processo

Cinética do crescimento microbiano ü Importância do estudo cinético – exemplos ü Produção de fermento de panificação por processo descontínuo ou descontínuo alimentado ü Produção de penicilina por Penicillium chrysogenum ü Lactose : elevada produção de antibiótico ü Glicose: aumenta o crescimento celular e desfavorece a síntese de antibiótico (redução de 25%) ü Com o estudo cinético, pode-se fazer adição controlada de glicose, obtendo-se resultado similar obtido com lactose

Cinética do crescimento microbiano ü Dificuldades para o estudo cinético: ü Interpretação correta dos dados ü Quais velocidades devem ser medidas ? Ex. : Produção de células : velocidade de crescimento. Produção de antibióticos: velocidade de crescimento celular, formação de produto e consumo de substrato ü Como medir as velocidades ? ü Velocidade instantânea ? Velocidade média ?

Cinética do crescimento microbiano ü Dificuldades para o estudo cinético: ü Medida da concentração dos micro-organismos ü Método ? Biomassa seca, número total de células, número de células viáveis (ou UFCs), turbidimetria, volume do sedimento obtido por centrifugação, teor de um componente celular, etc.

Cinética do crescimento microbiano ü Dificuldades para o estudo cinético: ü Medida da concentração dos micro-organismos ü Problemas : culturas mistas; meios com sólidos em suspensão; células suspensas em meio aquoso, porém na forma de flocos ou filamentos; células imobilizadas na superfície de suporte inerte ou biodegradável; fermentação em estado sólido ou semi-sólido (não pode ser interpretada como se a célula estivesse suspensa no meio aquoso); etc.

Cinética do crescimento microbiano ü Dificuldades para o estudo cinético: ü Se o material a ser transformado pelo microrganismo (substrato) for parcialmente insolúvel no meio aquoso, como hidrocarbonetos líquidos ou sólidos, polímeros, minérios, etc. , a concentração do substrato possui significado?

Cinética do crescimento microbiano ü Parâmetros de transformação ü Pg 95 – 101 livro coleção Biotecnologia v. 2

Cinética do crescimento microbiano ü A curva de crescimento microbiano : ü Após a inoculação de um meio de cultura em condições apropriadas, observamos as seguintes fases de crescimento:

Cinética do crescimento microbiano ü Classificação dos processos fermentativos: ü GADEN (1959) propôs três tipos para classificação de um processo fermentativo:

Cinética do crescimento microbiano ü Classificação dos processos fermentativos: ü GADEN (1959) propôs três tipos para classificação de um processo fermentativo: (I)Produto associado ao crescimento : o produto formado (metabólito primário) está diretamente ligado às reações do catabolismo ou decomposição do substrato (os açúcares). Vitaminas e aminoácidos. (II)Produto parcialmente associado ao crescimento : A formação de produto não está diretamente ligada ao caminho metabólico produtor de energia. Duas fases distintas: uma 1 a fase, na qual a velocidade específica de consumo do açúcar está diretamente relacionada à de crescimento do microrganismo, não havendo praticamente formação do produto; uma 2ª fase, em que há uma boa semelhança entre os perfis das três velocidades específicas e que portanto se correlacionam bem. Ácidos cítrico e lático.

Cinética do crescimento microbiano ü Classificação dos processos fermentativos: ü GADEN (1959) propôs três tipos para classificação de um processo fermentativo: (III) Produto não associado ao crescimento : A máxima velocidade específica de produção ocorre quando as demais velocidades específicas sofreram uma redução significativa. No começo da fermentação predominam transformações produtoras de energia com formação de biomassa, sendo que o produto é formado quando o metabolismo oxidativo se encontra atenuado. O produto formado é historicamente denominado como metabólito secundário. Antibióticos, toxinas microbianas. * É importante frisar que esta classificação não enquadra, de um modo absoluto, um determinado processo fermentativo em um dos três grupos antes citados.

Cinética do crescimento microbiano ü Classificação dos processos fermentativos: Luedeking & Piret

Cinética do crescimento microbiano ü Classificação dos processos fermentativos: ü KONO E ASAI (baseada nas associações entre formação do produto com micro-organismos em reprodução ou não): A) Processos em que a formação de produto está associada apenas a células que estão se reproduzindo (ex. : sorbose) B) Processos em que a formação de produto está associada a todas as células (ex. : ácido lático) C) Processos em que a formação de produtos está associada apenas a células que não estão se reproduzindo (ex. : ácido cítrico)

Cinética do crescimento microbiano ü Modelos cinéticos: ü Influência da concentração do substrato sobre a velocidade específica de crescimento ü A equação de Monod: interpretação da fase exponencial de crescimento ü Por analogia com Michaelis-Mendel, Monod propôs em 1942, a seguinte equação para explicar a relação entre a concentração S do substrato limitante no meio, com a velocidade específica reprodução do microrganismo: S. . . Concentração de substrato /Ks… Constante de saturação / µmáx… velocidade específica máxima de crescimento ou reprodução

Cinética do crescimento microbiano ü A equação de Monod representa uma simplificação de várias situações reais das fases típicas de um cultivo ü processo contínuo

Cinética do crescimento microbiano ü Condições para aplicação em processos em batelada : ü 1) O cultivo deve ser homogêneo (mistura perfeita) e os parâmetros (p. H, temperatura, [O 2]) devem ser controlados ü 2) Todos os nutrientes devem estar em excesso ü 3) As substâncias devem ser solúveis ü 4) O micro-organismo deve estar adaptado ao meio (fase lag desprezível) ü 5) Substratos gasosos não devem influenciar

Cinética do crescimento microbiano ü Limitações do modelo ü 1) Não prevê fases lag e estacionária ü 2) Não prevê inibição ü 3) Apenas um substrato limitante

Cinética do crescimento microbiano ü Uma baixa constante de saturação Ks implica em uma maior duração da fase exponencial

Cinética do crescimento microbiano ü Outros modelos ü A expressão de Monod é um modelo que não leva em conta o efeito inibidor, tanto pelo substrato como pelo produto formado. Porém outras equações foram propostas e que merecem ser citadas:

ü Outros modelos ü A ausência da inibição é, na verdade, uma situação pouco comum na prática, principalmente durante um cultivo descontínuo, onde há um crescente acúmulo de metabólitos que acabam interferindo desfavoravelmente sobre o metabolismo e crescimento microbianos. ü O problema poderia ser atenuado se fosse, por exemplo, utilizado um valor inicial relativamente baixo da concentração de substrato e que assim resultasse em baixas concentrações de produtos inibidores.

ü Outros modelos ü Essa é, entretanto, uma alternativa pouco interessante do ponto de vista industrial, considerando-se que baixas concentrações de produtos acarretariam custos elevados, na fase posterior de separação e purificação da substância de interesse. ü Nessas circunstâncias, a inibição pelo substrato é um fenômeno que não pode ser ignorado.

Cinética do crescimento microbiano ü Outros modelos

Cinética do crescimento microbiano ü Outros modelos