CINTICA ENZIMTICA

Prof. Dr. Roberto Rodrigues de SouzaDEQ & PEQ/CCET/UFS

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE - UFSPRO-REITORIA DE PS-GRADUAO E PESQUISA

NCLEO DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA QUMICA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA QUMICAMESTRADO EM ENGENHARIA QUMICA

DISCIPLINA: CINTICA QUMICA

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HISTRICO

- 1940 II Guerra Mundial crescimento superficial de fungos

- Engenharia de processos

- Penicilina (1928 Alexander Fleming Penicillium chrysogenum)- 1857 Louis Pasteur processos fermentativos

- 1947 1s fermentadores - EUA

- Julho de 1947 Engenharia Bioqumica

- 2007 60 anos o principal foco tem sido os processos que fazemuso de agentes biolgicos como clulas e enzimas

DESAFIOS & POTENCIAIS APLICAES

- Obteno de produtos de alto valor agregado

- Tratamento biolgico de efluentes

- Obteno de produtos com custo menor

- Slida base de conhecimentos de engenharia e a capacidade deinterpretar tanto os prprios fenmenos de engenharia como osfenmenos celulares ou biolgicos, estes ltimos atravs de umaestreita interao com profissionais das reas bsicas de biologia.

O QUE ENGENHARIA BIOQUMICA?

- um ramo da Engenharia Qumica voltado aos processosbiotecnolgicos industriais, que so aqueles processos nos quaisocorre a transformao de matrias-primas em produtos atravs daao de material de origem ou carter biolgico, ou seja, clulas(microbianas, animais ou vegetais) ou enzimas.

PRODUTOS QUE PODEM SER OBTIDOS:

- enzimas

- cidos orgnicos

- etanol

- antibiticos, vacinas e hormnios

- anticorpos

- fermento

* Processos bioqumicos relacionados rea de meio-ambiente, como o caso do tratamento biolgico de efluentes domsticos eindustriais e da produo de gs metano

AS FUNES DO ENGENHEIRO PODEM SER RELACIONADAS A:

- projeto de biorreatores- estudos de cintica de processos bioqumicos

- modelagem e simulao

- purificao de produtos biolgicos

- transferncia de oxignio e ampliao de escala

- anlise econmica

- instrumentao e controle

BIOTECNOLOGIA

Reviso de Bioqumica Industrial clulas (procariticas e eucariticas), biomolculas que compem a clula (protenas, lipdeos,

carboidratos e cidos nuclicos: estrutura molecular e funesnas clulas)

Grupos de Microrganismos de Interesse Industrial bactrias, fungos (bolores e leveduras) e actinomicetos (caractersticas e melhores condies de cultivo), tcnicas de manuteno de culturas puras

BIOTECNOLOGIA (continuao)

Processo Fermentativo Genrico definies e etapas (preparo do inculo, preparo e composio

do meio de cultura, esterilizao)

Biorreatores (Reatores Bioqumicos) classificao, operao (reatores em fase aquosa com clulas livres, clulas

imobilizadas e clulas confinadas entre membranas)

Classificao dos Processos Fermentativos Industriais descontnuo, contnuo, descontnuo alimentado, semicontnuo. Descrio das formas de conduo e comparao entre as

mesmas (diferenas, vantagens e desvantagens, curvasobtidas)

Estudo do Processo Descontnuo curvas de crescimento celular, de consumo de substrato

limitante e de sntese de produto, fases de crescimento celular,clculos de velocidades (velocidade especfica de crescimentocelular), fatores de converso e produtividades.

BIOTECNOLOGIA (continuao)

BIOTECNOLOGIA (continuao)

grande a diversidade de produtos que podem ser obtidosatravs destes processos, exemplos:

enzimas (indstrias txtil e de alimentos);

etanol (combustvel na indstria de bebidas);

antibiticos, vacinas e hormnios (rea de sade humana eanimal);

anticorpos (em kits de diagnstico);

fermento (uso caseiro e na indstria alimentcia).

Biotecnologia Moderna:- busca manipular a vida pelos genes- desenvolver novas caractersticas em animais, plantas ou

microorganismos, por meio de processos que a natureza levariamilhares de anos;

- criar novos medicamentos;- produzir rgos semi-sintticos para transplantes;- supermicroorganismos capazes de degradar resduos txicos que

poluem o meio ambiente;- desenvolver novos alimentos;- produzir insumos biolgicos e bioinseticidas naturais.

BIOTECNOLOGIA (continuao)

EXEMPLO DE PROJETO DE BIORREATOR

Hidrognio uma fonte de energia limpa e atrativa.

Portanto, processos sustentveis de produo de hidrognio temque ser desenvolvidos para atingirem demandas futuras. Dentro doprojeto europeu Biohydrogen, a completa converso de biomassaem hidrognio e gs carbnico estudada.

Acetato convertido de acordo com a seguinte reao:

2CH3COO- + 8H2O + luz solar 4HCO-3 + 2H+ + 8H2

Uma bactria purprea no sulfrica usada para esta converso.

A mistura de gs produzida consiste em H2/CO2 misturada com90% v/v H2.

EXEMPLO DE PROJETO DE BIORREATOR (continuao)

EXEMPLO DE OPERACIONALIZAO DE BIORREATORES

Para que um cultivo que seja eficiente, ocorrendo com elevadasvelocidades de crescimento celular, significa altas velocidades deconsumo da fonte de carbono, a fim de que haja abundncia deeltrons transportados na cadeia respiratria (gerao de ATP),mas significa tambm, obrigatoriamente, a necessidade daexistncia de oxignio dissolvido, a fim de que eltrons sejamdrenados ao final da cadeia.

Transferncia de Oxignio

CINTICA MICROBIANA

Importncia de estudar a cintica do crescimento microbiano:

Quando os microrganismos so desejveis:Produo de compostos de interesseTratamento de efluentesMelhoria de processos de produo

Quando microrganismos so indesejveis:PatgenosDeteriorantesFavorecer a inibio e eliminao

CINTICA DE CRECIMENTO MICROBIANO

O crescimento bacteriano ocorre em dois nveis: individual epopulacional.

Mtodos de medida para crescimento bacteriano:

Mtodo Direto

Mtodo Indireto

CINTICA DE CRECIMENTO MICROBIANO (continuao)

MTODO DIRETO

Centrifugao e peso seco

Contadores de partculas

Cmaras de contagem (Neubauer)

Esfregao corado

MTODO INDIRETO

Turbidemetria Diluio seriada (NMP) Plaqueamento em meio slido (UFC)

CINTICA DE CRECIMENTO MICROBIANO (continuao)

Fermentador

Microrganismo

Preparo do inculo

Nutrientes

Preparo do meio

Esterilizao do meio

Controles

Esterilizao do ar

Recuperao do produtoAr

USO

Produto

Resduo

CINTICA DE CRECIMENTO MICROBIANO (continuao)

Processo Fermentativo

CURVA DE CRESCIMENTO MICROBIANO

Fase LagNesta fase no h um aumento no nmero de clulas,

todavia, geralmente demonstram que h um aumento devidoao aumento no tamanho dos indivduos.

Fase ExponencialOs microrganismos se encontram na plenitude de suas

capacidades, num meio cujo suprimentos de nutrientes superior s necessidades.

Fase EstacionriaA velocidade de crescimento vai diminuindo at atingir a

fase em que o nmero de novos microrganismos igual aonmero de microrganismos que morre. As causas dessa paradade crescimento podem ser devido ao acmulo de metablitostxicos, o esgotamento de nutrientes e o esgotamento de O2.

CURVA DE CRESCIMENTO MICROBIANO (continuao)

Fase de Declnio ou MorteNesta fase, a quantidade de microrganismos que morre

torna-se progressivamente superior quela dos que surgem.

Con

cen

tra

o (g

/L)

Tempo de Cultivo (h)

Biomassa

Produto

Substrato

CURVA DE CRESCIMENTO MICROBIANO (continuao)

CURVA DE CRESCIMENTO MICROBIANO (continuao)

Tempo de gerao (g ou G) o intervalo de tempo necessrio para que uma clula se

divida ou para que a populao duplique:varivel para os diferentes organismos;dependente de fatores genticos e nutricionais e ambientais.

Populao Total (N)(1) N= No x 2n onde:N= nmero final de clulas; No= nmero inicial de clulas; n= nmero de geraes

Aplicando logaritmo (log):(2) log N= log No + n log 2n = log N - logNo / log 2n = log N - log No / 0,301

(3) n = 3,3 (log N-log No)A partir da equao 3 possvel calcular o nmero de geraes (n) que ocorreram em uma cultura se o n inicial de clulas for conhecido.

Tendo-se o valor de n pode-se calcular o tempo de gerao (g)(4) g = t/nExemplo: Calcular o tempo de gerao de uma cultura cuja populao celular passa de 103 para 108 aps 5 horas de cultivon = 3,3 (log 108 - log 103) ----> n = 3,3 (8 - 3) = 16,5 geraesg = 5 / 16,5 = 0,3 horasTempo para duplicar a populao celular foi de 0,3 horas.

Taxa de crescimento especfica ou velocidade especfica decrescimento (k ou m): nmero de geraes por unidade detempo.

m = 1/g (h-1) ou m = n/t

Se g = 0,3 horas ento m = 1/0,3 = 3,3 geraes/h

A taxa especfica de crescimento (m), e o tempo de geraoou duplicao (g), de uma populao microbiana soparmetros muito importantes em Microbiologia, poispermitem prever a evoluo da concentrao de ummicrorganismo ao longo do tempo de crescimentoexponencial. So parmetros que do indicao sobre aresposta do microrganismo s diversas condies ambientaisincluindo a modificao do meio de cultura.

O clculo dos valores de g e m de um dado microrganismo,em condies de cultura diferentes, til, por exemplo, para:

selecionar as condies de cultura timas para ocrescimento desse microrganismo;

estudar o efeito que uma determinada alterao dascondies ambientais exerce sobre o crescimento domicrorganismo.

Relaciona a taxa especfica de crescimento () e aconcentrao de substrato limitante (S).

onde: max = mxima taxa especfica de crescimentoKs = constante de saturao

A equao de Monod baseada no modelo de cinticaenzimtica de Michaelis-Menten. O modelo de Monod muito utilizado para descrever o crescimento de vriosmicrorganismos.

MODELO DE MONOD

CINTICA DE MICHAELIS-MENTEN

As reaes catalisadas por enzimas so saturveis, e a suavelocidade de catlise no indica uma resposta linear face aoaumento de substrato. Se a velocidade inicial da reao medidasobre uma escala de concentraes de substrato (denotada como[S]), a velocidade de reao (v) aumenta com o acrscimo de [S].Todavia, medida que [S] aumenta, a enzima satura-se e avelocidade atinge o valor mximo Vmax.

REAES CATALISADAS POR MICRORGANISMOS

FVias Metablicas de Produo de Energia:Metabolismo dos carboidratos

GlicliseCiclo de Krebs (respirao aerbica)Cadeia transportadora de eltronsFermentao

Vias Metablicas de Uso de Energia: Biossntese de PolissacardeosBiossntese de LipdeosBiossntese de Aminocidos e ProtenasBiossntese de Purinas e Pirimidinas

METABOLISMOS DOS CARBOIDRATOS

A maioria dos microrganismos oxida carboidratos como suafonte primria de energia celular. O catabolismo de carboidratos de grande importncia no metabolismo celular. A glicose afonte mais comum de carboidrato utilizada pelas clulas.A respirao da glicose ocorre em trs etapas principais:

GlicliseCiclo de KrebsCadeia de Transporte de Eltrons

GLICLISE

a oxidao da glicose a cido pirvico sendo a primeira etapano catabolismo dos carboidratos. As enzimas da gliclisecatalisam a quebra da glicose (um acar de seis carbonos) emdois acares de trs carbonos. Estes acares so oxidadosliberando energia e seus tomos so rearranjados para formarduas molculas de cido pirvico.

A gliclise no requer oxignio podendo ocorrer sob condiesaerbias ou anaerbias.

CICLO DE KREBS

uma srie de reaes bioqumicas nas quais a grandequantidade de energia qumica potencial armazenada emacetil-CoA liberada passo a passo.O cido pirvico, produto da gliclise no pode entrardiretamente no ciclo de Krebs. Em uma passo preliminar eledeve perder uma molcula de CO e tornar-se um compostode dois carbonos. Esse processo chamado dedescarboxilao.

CADEIA DE TRANSPORTE DE ELTRONS

Consiste em uma sequncia de molculas transportadorasque so capazes de oxidao e reduo. Como os eltronsso passados atravs da cadeia h uma gradual liberao deenergia que utilizada para conduzir a geraoquimiosmtica de ATP;Nas clulas procariticas a cadeia de transporte de eltrons encontrada na membrana plasmtica.

FERMENTAO

A fermentao pode ser definida de vrias formas:Qualquer deteriorao de alimento por microrganismo

(uso geral);Qualquer processo microbiolgico em grande escala

ocorrendo com ou sem ar (usada na indstria);Qualquer processo metablico que libere energia e

que ocorra somente sob condies anaerbias (tornando-semais cientfica)

figuraFigura 9: Viso geral da Respirao e Fermentao

VIAS METABLICAS DE USO DE ENERGIA

Biossntese de PolissacardeosOs microrganismos sintetizam acares e polissacardeos. Aps aglicose ser sintetizada as bactrias podem coloc-la dentro demuitos polissacardeos complexos, tal como o glicognio.

Biossntese de Lipdeos

As clulas sintetizamgorduras unindoglicerol e cidosgraxosO mais importantepapel dos lipidios como componenteestrutural dasmembranasbiolgicas.

Biossntese de Purinas e Pirimidinas

Certos aminocidos(cido aspartico,glicina e glutamina)feitos deintermediriosproduzidos durante agliclise e no ciclo deKrebs participam nabiossntese depurinas e pirimidinas.

Biossntese de Aminocidos e Protenas

Os aminocidos sorequeridos parabiossntese de protenas.Uma importante fonte deprecursoresintermedirios utilizadana sntese deaminocidos o ciclo deKrebs.