85271222 aula 2 estequiometria do crescimento microbiano e formacao de produto modo de...

Aula 2Aula 2. Estequiometria do crescimento

microbiano e formação de produto

Estequiometria da reação microbiana.q çEquação geral.Crescimento aeróbico.Cinética de crescimento.Cinética de utilização de substratos.çCinética de síntese de produtos.Modelo para o crescimento microbianoode o pa a o c esc e to c ob a o

ReferenciasReferencias• SHULER, Michael L.; KARGI, Fikret. Bioprocess engineering: basic

concepts 2nd ed Upper Saddle River: Prentice Hall PTRconcepts. 2nd. ed. Upper Saddle River: Prentice Hall PTR,c2002.553p. (Chemical engineering series ) ISBN 0130819085.

SCHMIDELL Willib ld LIMA U l d Al id AQUARONE• SCHMIDELL, Willibaldo; LIMA, Urgel de Almeida; AQUARONE,Eugênio; BORZANI, Walter (Coords.). Biotecnologia industrial:Engenharia Bioquímica, Vol. 2, Sao Paulo: Edgard Blucher, 2001.ISBN 8521202792ISBN 8521202792.

• GODIA C, e LOPEZ J. (editores) Ingeniería Bioquímica. UniversidadAutónoma de Barcelona, España. Capítulo 4 Cinética microbiana.

• AIBA, S.; HUMPHREY, A. E.; MILLIS, N. F. Biochemical Engineering.AIBA, S.; HUMPHREY, A. E.; MILLIS, N. F. Biochemical Engineering.Ed. Press, 153p. 1973

ESTEQUIOMETRIA DO CRESCIMENTO MICROBIANO E DA FORMAÇÃO DEMICROBIANO E DA FORMAÇÃO DE

PRODUTOS

O2

Fonte de Produtos

microrganismocarbono

Fonte de Célulasnitrogênio

H2OCO2 H2OCO2

Estudo cinéticoEstudo cinético

Processo obedece ao princípio de conservação da matéria

OGHFCONOHECOHDNHBOOHAC cba 2242 ++→++ δγβα

BiomassaSubstrato Fonte de nitrogênio

o assa

Elementos minerais: fósforo, enxofre, cobre, cálcio, etc.

Síntese Manutenção

Hid óliHidrólise

Glicose Piruvato Produtos de Fermentação( lactato, álcoois, ácidos, etc.)

8 ATP 6 ATP

Ciclo de Krebs30 ATP

Respiração Anaeróbia

CO2 O

p ç(CO2, SO4

2-, NO3-)

CO2 O2

Respiração Aeróbia

E i lifi d d óbi óbiEsquema simplificado de processos aeróbios e anaeróbios

COEFICIENTE DE RENDIMENTO ATP EM BIOMASSA – YX/ATP

YX/ATP = quantidade de biomassa sintetizada por mol de ATP gerado

O valor de é de:M

ATPXY /O valor de é de:10 a 11 g células/mol ATP para crescimento anaeróbico de heterotróficos e de 6,5 g células/mol ATP para autotróficos

mATP11D

mYY

ATPM

ATPXATPX

+=//

11

mATP é a velocidade de consumo de ATP para a manutenção celular

D

m

YYO

MOXOX

2

//

11+=

DYY OXOX 22 //

O crescimento microbiano pode expressar‐se em forma da reação química.Exemplo:Exemplo:Para o crescimento aeróbio de Saccharomyces cerevisiae sobre glicose :

Para poder calcular os coeficientes estequiométricos é necessário conhecer a composição elemental do microrganismo.

Pode ser: experimentalmente por análise elemental.por consulta em a literatura.

Formula empírica e expressa‐se por convenio em função de um único átomo de carbono.

Para a reação anterior CH1,703O0,459N0,171

Permite fazer balanço de massa e energia para cada componente e determinarPermite fazer balanço de massa e energia para cada componente e determinar os coeficientes estequiométricos.

CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS

U él l tí i CH O NUma célula típica: CH1,8O0,5N0,2

Um mol de material biológico é definido como a quantidade que contém 1 grama de átomos de carbono, como em CHαOβNδ1 grama de átomos de carbono, como em CHαOβNδ

CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS

Para a seguinte conversão biológica, onde não há formação de produtos além de CO e H O:produtos, além de CO2 e H2O:

CHmOn + aO2 + bNH3 cCHαOβNδ + dH2O + eCO2m n 2 3 α β δ 2 2

onde CHmOn representa 1 mol de carboidratoonde CHmOn representa 1 mol de carboidratoCHαOβNδ representa 1 mol de material celular

E tã f d b l dC: 1 = c + eH: m + 3b = cα + 2d

Então, fazendo um balanço de massa:

O: n + 2a = cβ + d + 2eN: b = cδ

O fi i t i tó i é eO coeficiente respiratório se define

como:O coeficiente respiratório é:

aeRQ =

como:moles de CO2formados

mol de O2 gasto

GRAU DE REDUÇÃO (γ)

Quando as reações são mais complexas, como quando há formação de produto extracelular, um coeficiente estequiométrico é adicionado.

O conceito de grau de redução é utilizado para um balanço de ót lét d bi ãprótons e elétrons da biorreação.

O grau de redução de um composto orgânico é definido como o número de equivalentes de elétrons disponíveis por grama de átomosnúmero de equivalentes de elétrons disponíveis por grama de átomos de carbono

Os elétrons disponíveis são aqueles que poderiam ser transferidosOs elétrons disponíveis são aqueles que poderiam ser transferidos para o oxigênio durante a oxidação de um composto a CO2, H2O e NH3.

Grau de redução de alguns elementos:ç g

C = 4H = 1

O = -2P = 5H 1

N = -3 S = 6

COMO CALCULAR O GRAU DE REDUÇÃO (γ)

Metano (CH4): 1(4) + 4(1) = 8, γ = 8/1 = 8

Glicose (C6H12O6): 6(4) + 12(1) + 6(-2) = 24, γ = 24/6 = 4( 6 12 6)

Etanol (C2H5OH): 2(4) + 6(1) + 1(-2) = 12, γ = 12/2 = 6

Um alto grau de redução indica um baixo grau de oxidação:Um alto grau de redução indica um baixo grau de oxidação:

γCH4 > γETOH > γglicose

Exemplo 1:

Calcule o grau de redução dos seguintes compostos.

a) piruvato (C3O3H3)) p ( 3 3 3)

b) ácido lático (C3O3H6)

GRAU DE REDUÇÃO (γ)

Considere a produção aeróbica de um único produto extracelular:

CHmOn + aO2 + bNH3 cCHαOβNδ + dCHxOyNz + eH2O+fCO2

substrato biomassa produto

Os graus de redução do substrato, biomassa e produto são:

γs = 4 + m – 2n

γb = 4 + α – 2β – 3δOBS: Os graus de

redução do CO2 H2O e

γp = 4 + x – 2y – 3z

redução do CO2, H2O e NH3 são zero.

A equação da reação acima pode ser utilizada para balanços de massa, balanços elementares de C, H, O e N, balanço eletrônico e energético.

Balanço de carbono: c + d + f = 1

Balanço de nitrogênio: cδ + dz = bo coeficiente c é o YX/S

Balanço eletrônico: cγb + dγp = γs – 4ao coeficiente d é o YP/S

o coeficiente c é o YX/S RENDIMENTOS

coeficiente de rendimento biomassa /substrato

o coeficiente c é o YX/O2coeficiente de rendimento biomassa /oxigênio

FATOR DEo coeficiente c é o YX/NH3

fi i d di bi / ô i

FATOR DE CONVERSÃO

coeficiente de rendimento biomassa /amônia

o coeficiente d é o YP/Scoeficiente de rendimento produto /substrato

Exemplo 2:p

Calcule os coeficientes estequiométricos para o crescimento óbi d S h i i b liaeróbio de Saccharomyces cerevisiae sobre glicose :

C6H12O6 + aO2 + bNH3 cCH1 703O0 459N0 171 + dH2O + eCO2C6 12O6 aO2 b 3 cC 1,703O0,459 0,171 d 2O eCO2

O coeficiente respiratório, RQ é igual a 1,033 (moles de CO2formados/ mol de O2 gasto).

Resposta:

CÁLCULO TEÓRICO DOS COEFICIENTES DE RENDIMENTO:

Exercício 1:

A degradação aeróbica de um composto orgânico poruma cultura mista de bactérias em um efluente industrialuma cultura mista de bactérias em um efluente industrialpode ser representada pela seguinte reação:

C3H6O3 + aO2 + bNH3 cC5H7NO2 + dH2O + eCO2

a) Determine a, b, c e e, se YX/S = 0,4 gX/gS.b) Determine os coeficientes de rendimento YX/O2 e

YX/NH3c) Determine o grau de redução para substrato,bactéria e o coeficiente respiratório (RQ).

g/L)

Biomassantração (g

Produto

Concen

Tempo de Cultivo (h)

Substrato

Tempo de Cultivo (h)

Cinética de crescimento microbiano, utilização de substratos e síntese de produtos.síntese de produtos.

Curva de Crescimento

E t t d t i tEsgotamento de nutrientes

Fase de multiplicação celular.

Fase de adaptação ao meio de cultivomeio de cultivo.

Fase de Taxa deFase de crescimento

Taxa de crescimento

Características

nenhum aumento no número de células, d h ã i i d

Lag zeroaumentam de tamanho, são sintetizadas novas enzimas para as células se adaptarem ao novo meio

Exponencial ou Log

máxima ou constante

condições de crescimento balanceado; as células são uniformes em termos de composição química e atividade metabólicas e fisiológicas. Pico da atividade e eficiência fisiológica

acúmulo de produtos metabólicos tóxicos e/ou exaustão de nutrientes Algumas células morrem

Estacionária zeroexaustão de nutrientes. Algumas células morrem, outras crescem e se dividem. O número de células viáveis diminui

Morte negativaacúmulo adicional de produtos metabólicos inibitórios. A taxa de morte é acelerada; o número de células diminui de modo exponencial.

QUANTIFICAÇÃO DO CRESCIMENTO MICROBIANO

Métodos Diretos

Muitas vezes não são possíveis devido à presença de sólidos emdevido à presença de sólidos em

suspensão

DETERMINAÇÃO DO NÚMERO DE CÉLULAS:

Contagem Microscópica e Contagem Celular Eletrônica - expresso em númerode células/mL

Contagem em Placa - expresso em UFC/mL (unidade formadora de colônia)Contagem em Placa expresso em UFC/mL (unidade formadora de colônia)

Contagem de células viáveis (capazes de se reproduzir)

Estimativa de células viáveis de uma amostra – CONTAGEM EM PLACA


Métodos Diretos

Peso Seco – método direto mais comum para determinar a concentração

DETERMINAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO CELULAR:

Peso Seco – método direto mais comum para determinar a concentraçãocelular, usado apenas em meios de cultura sem sólidos em suspensão.Amostras do caldo de cultivo são filtradas (volume conhecido) e secas por24 h a 80°C.24 h a 80 C.

Peso de empacotamento – método pouco preciso. Amostras do meio decultivo são centrifugadas em um tubo calibrado e o peso das célulasg ppeletizadas é determinado.

Espectrofotometria – absorção da luz pelas células em suspensão no meiode cultura. A medida da turbidez, ou densidade óptica do meio é determinada.Método rápido e de baixo custo. Deve ser feita uma curva de calibração. Nãopode ser usado se o meio contém partículas em suspensão.


Métodos Indiretos

Medidas do consumo de substrato e/ou formação de produtos

Determinação de Componentes Celulares: Conteúdo de Nitrogênio

e/ou formação de produtos

ç p g(proteína), RNA, DNA, lipídios, polissacarídeos

Determinação de Produtos Metabólicos Específicos

Determinação de Componentes do Meio de Cultura – glicose

Viscosidade

Produção de gás

Condutância

Produção de calor

Variação de componentes celulares durante o crescimento bacteriano

CRESCIMENTO CELULAR

O crescimento microbiano pode ser considerado como um conjunto dereações químicas em cadeia, que levam à produção de biomassa.ç q , q p ç

Os nutrientes do meio de cultura são convertidos em energia e emcompostos biológicos

substrato + células produtos extracelulares + mais células

ΣS + X ΣP + nX

Para o crescimento aeróbico:

X0 + S + O2 + NH4+ X + CO2 + P + H2O

onde X0 = inóculo (g/L)X = biomassa (g/L)S = substrato (g/L)(g )P = produto (g/L)

CINÉTICA DO CRESCIMENTO MICROBIANO

Velocidade de crescimento: ddX

X1

=µXdX µ= dtXµX

dtµ=

µ = velocidade específica de crescimento (h-1)µ p ( )

Rendimento biomassa/substrato: YX/S

relaciona a quantidade formada de biomassa com a quantidade de substrato gasto

g biomassa formada

Rendimento produto/substrato: Y

g biomassa formadag substrato utilizado=SXY /

Rendimento produto/substrato: YP/S

relaciona a quantidade formada de produto com a quantidade de substrato gasto

=SPY /g produto formadog substrato utilizado


Crescimento em batelada (descontínuo)

Cultura de células num recipiente FECHADO, com uma carga inicial de meio que não é alterada pela adição ou remoção de nutrientes (volume dentro do biorreator é constante).

Substrato (S)


FASE LAG

A idade do inóculo possui grande influênciano tamanho da fase lag

O ideal é encontrar a idade ótima do inóculoque resulte numa fase lag mínima

Para minimizar a fase lag, as células devemestar adaptadas ao meio de cultura, ser jovens(fase de crescimento exponencial) e ativas( p )

O volume de inóculo deve ser alto (5-10%)

Mais de uma fase lag pode ser observadaquando há mais de uma fonte de carbono(diauxia)


CRESCIMENTO EXPONENCIAL – FASE LOG

O acúmulo do número ou da massa de microrganismos ocorresegundo uma progressão geométrica, sendo que a velocidade decrescimento é proporcional à massa de microrganismos num dadocrescimento é proporcional à massa de microrganismos num dadoinstante

XdtdX µ= X = X0 em t = 0dt

Integrando: tX µ=ln teXX µ=ouIntegrando: tX

µ=0

ln eXX 0=ou

li h t áfi l l ít i (X t)linha reta num gráfico em escala logarítmica (X versus t)

τ 693,02ln==tempo de duplicação celular

µµτ ==dtempo de duplicação celular:

Foi realizado o crescimento de Saccharomyces cerevisiae a 30°C em meio contendo:

Exercício 2:

Foi realizado o crescimento de Saccharomyces cerevisiae a 30 C em meio contendo:10 g/L de extrato de levedura, 20 g/L de glicose e 20 g/L de peptona.O crescimento foi realizado em frascos de 1L contendo 300 mL de meio.Amostras foram retiradas periodicamente e determinou‐se (os dados obtidos estão nap (tabela abaixo) :

• a absorbância a 600 nm,• o peso seco das células e•o número total de células.

Calcule µ e td para os três modos de medida do crescimento microbiano.

Absorbância ( ) N° de células ( )

3

y = 0 4511x ‐ 2 21870

1

2

600 nm

y = 0,4511x ‐ 2,2187R² = 0,9767

3

‐2

‐1

lnab

s

‐30 5 10 15 20 25

t (h)

Absorbância ( ) Peso seco( )

1,5

2

y = 0,2716x ‐ 1,56380 5

0

0,5

1

ln X

y 0,2716x 1,5638R² = 0,9933

‐2

‐1,5

‐1

‐0,5

0 10 1 20 20 5 10 15 20 25

t (h)


FASE ESTACIONÁRIA

A taxa de crescimento é igual a zero

Alguns fenômenos podem ser observados:A l l d ú d- A concentração celular pode permanecer constante, mas o número de

células viáveis pode diminuir;- Pode ocorrer lise celular e a diminuição das células viáveis;A él l d ã t b li ti ti- As células podem não crescer, mas seu metabolismo continua ativo,

produzindo metabólitos secundários, tais como antibióticos, hormônios.

As células catabolizam as reservas celulares para produzir monômerosAs células catabolizam as reservas celulares para produzir monômerosenergéticos, que mantenham suas funções celulares mínimas (metabolismoendógeno)

dX tkXk

dtdX

d−=tk

SdeXX −= 0ou

kd = constante de primeira ordem para o metabolismo endógenoXS0 = concentração celular no início da fase estacionária


FASE DE MORTE

Inicia no final da fase estacionária, devido à exaustão de nutrientes ou aoacúmulo de produto tóxicos

NkdtdN

d'−= ou tKS

deNN '−=dtk’d = constante de primeira ordem de morte celularN = concentração celular no final da fase estacionária

No início da fase de morte pode ocorrer o restabelecimento da cultura se as

NS = concentração celular no final da fase estacionária

células forem transferidas para um meio rico em nutrientes.

Dispondo de um conjunto de dados experimentais deDispondo de um conjunto de dados experimentais de

X, S e P em função do tempo tem‐se:

dtdp

dtds

dtdx

psx =−== µµµ ;;dtdtdt

Crescimento Consumo Formaçãoç

Calculo das parâmetros cinéticos para crescimentoCalculo das parâmetros cinéticos para crescimento

unicelular.

Distribuindo os dados da fase exponencial em

d d i l ít i tcoordenadas semi‐logarítmicas, tem‐se:

dXXd 1)ln(

Velocidades específicas:

µ==dt

dXXdt

Xd 1)ln(

Velocidades específicas:

• Crescimento:

ddX

X1

=µdtX

µ

dS1• Consumo de substrato:

dtdS

Xs1

−=µ

• Formação de produto:dP1

=µ• Formação de produto: dtXp =µ

Como essa fase tem a distribuição de uma reta aComo essa fase tem a distribuição de uma reta avelocidade específica de crescimento é constante e máxima.

)(ll )(loglog 0 ii ttXX −=− µX0i= Concentração celular no instante de início da fase exponencial0i ç p

Rearranjando a equação anterior:j q ç

)(0

titi eXX −= µ

Ou, re‐escrevendo de outra forma, tem‐se:

tXX i µ+= 0lnln

A i d bt t d d li ã dAssim, pode‐se obter o tempo de duplicação da

biomassa, onde X=2X0i: 2lnµ

2ln=Tdup

Fator de conversão de substrato a célulasXX

Y− 0

X0= Concentração celular inicial

SSY SX −

=0

0/ X= Concentração celular no instante t

S0= Concentração inicial do substrato

S C ã id l d b iS= Concentração residual do substrato no instante t.

Para leveduras e bactérias crescendo aerobicamente em glicose,Y 0 4 0 6 / Y 0 9 1 4 /YX/S ≈ 0,4 a 0,6 g/g e YX/O2 ≈ 0,9 a 1,4 g/g

O coeficiente de manutenção é utilizado para descrever a velocidade específica de consumo de substrato para a manutenção celular:específica de consumo de substrato para a manutenção celular:

Este parâmetro é importante para a determinação de XEste 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:O fator de conversão pode ser obtido também através de:

µ

SSXY

µµ

=/

Coeficiente de manutençãoµ [ ]dtdS/

SXSS Y

m/'

µµ +=

Velocidade específica de consumo de substrato para manutenção da

[ ]XdtdSm m/

−≡

Velocidade específica de consumo de substrato para manutenção daviabilidade celular

Produtividade de biomassa

F XXP 0−

F

F

TP 0=

X0= Biomassa inicial;

XF= Biomassa final;

TF= Tempo total de cultivo.

RENDIMENTO BIOMASSA-SUBSTRATO

Exercício 3: Uma linhagem de fungo foi cultivada em batelada, utilizando glicose como substrato. Os seguintes dados foram obtidos:

Calcule:

a) A velocidade específica de crescimentoa) A velocidade específica de crescimentob) O rendimento biomassa/substratoc) e qual a máxima concentração celular seria esperada se 150 g de glicose

fosse utilizada com o mesmo tamanho de inóculo?fosse utilizada com o mesmo tamanho de inóculo?

4

y = 0,1015x + 0,0171R² 0 9986

2,5

3

3,5

X R² = 0,9986

0 5

1

1,5

2

ln X

0

0,5

0 10 20 30 40 50

t (h)


VELOCIDADES ESPECÍFICAS

dS1µdtXS =µ de consumo de substrato

dtdP

XP1

=µ de formação de produto

As velocidades específicas de consumo de substrato, de formação de p , çproduto e de crescimento são utilizadas como parâmetros comparativos em bioprocessos, indicando a eficiência dos processos.

Formação de produtos.

1. Formação de produto diretamente l d l d b

Formação de produtos.

relacionado com utilização da substrato.

Exemplo: Etanol.e p o: ta o .

2. Formação de produto indiretamente l i d tili ã d b t trelacionado com utilização da substrato.

Exemplo: Ácido cítrico.p

3. Formação de produto aparentemente não associada com a utilização da substratoassociada com a utilização da substrato.

Exemplo: Penicilina.

Classificação os processos fermentativos dependendo de o tipo de reação.

Si l O i d i é i fiSimples: Os nutrientes se convertem em produtos com uma taxa estequiométrica fixa,sem acumulo de intermediários.

Exemplo: Conversão de glicose em ácido glucônico pela Aspergillus niger.

Simultâneo: Os nutrientes se convertem em produtos com uma taxa estequiométricavariável sem acumulo de intermediáriosvariável, sem acumulo de intermediários.

Exemplo: Conversão de açúcar em proteínas e gorduras durante o crescimento deRhodotorula glutinis.

Consecutivo: Os nutrientes se convertem em produtos com acumulo de intermediários.

Exemplo: Conversão de glicose em ácido glucônico pela Pseudomonas ovalis, a βglicolactona é intermediário.

Por passos: Os nutrientes se convertem completamente em intermediários antes dep pconvertesse em produtos. (dois reações simples)

Exemplos: Crescimento diauxico, dois fontes de carbono. Indução de uma enzima.

Complexo: Envolve a combinação de reações.

Exemplo: Produção de penicilina.

CINÉTICA DA FORMAÇÃO DE PRODUTOS

PRODUTOS MICROBIANOS:

1. Produtos associados ao crescimento:

- produzidos simultaneamente com o crescimento

- a velocidade específica de formação ded t é i l à l id dproduto é proporcional à velocidade

específica de crescimento

µµ YdP1== µµ XPP Y

dtX /==

- produção de enzima constitutiva, de etanol



2. Produtos não associados ao crescimento:

- produzidos durante a fase estacionária de crescimento

- A velocidade específica de formação de produto é constante

βµ =P = constante

- Muitos metabólitos secundários, como antibióticos

- Metabolismo de sobrevivência



3. Produtos parcialmente associados ao crescimento:

- produzidos durante o crescimento lento e fase estacionária

- produção de ácido láctico, de goma xantana, de ácido cítrico e outros metabólitos secundários produzidos a partir de metabólitos primáriosproduzidos a partir de metabólitos primários

- a velocidade específica de formação de produto é: βαµµ + α â t d f ã d d té: βαµµ +=P

relação de Luedeking‐Piret

α = parâmetro de formação de produto associado ao crescimentoβ = parâmetro de formação de produto ç gnão associado ao crescimento


RELAÇÃO DE LEUDEKING‐PIRET

βαµµ +=P

Se α = 0, o produto não é associado ao crescimento

Se β = 0 o produto é associado ao crescimento e XPY /=αSe β 0, o produto é associado ao crescimento, e XPY /α

µP

ab a: crescimento parcialmente associadoµP b ao crescimento

b: crescimento associado ao crescimento

c c: crescimento não associado aocrescimento

µ

FATORES EXTERNOS QUE INFLUENCIAM NO CRESCIMENTO MICROBIANO

TEMPERATURA1. PSICRÓFILOS (Tótima < 20°C)( ótima )

2. MESÓFILOS (20°C < Tótima < 50°C)

Ó

MICRORGANISMOS

3. TERMÓFILOS (Tótima > 50°C)

Acima da temperatura ótima, a velocidade de crescimento diminui epode ocorrer a morte térmica das células.

A l id d d i ( ) d l l (k’ )A velocidade de crescimento (µ) e a constante de morte celular (k’d)variam com a temperatura segundo a equação de Arrhenius:

RTEd

deAk /'' −=RTEaAe /−=µEa = 10 a 20 kcal/mol Ed = 60 a 80 kcal/mol

Variação da velocidade de crescimento de E coli com a temperaturade E. coli com a temperatura

(equação de Arrhenius)

A temperatura também afeta a formação de produtos

A Tótima para a formação de produtos pode ser diferente da Tótima de crescimento!!

O coeficiente de rendimento YX/S também é afetado pela temperatura, pois acima da Tótima, os requerimentos de manutenção da célula aumentam.


pH O pH afeta a atividade enzimática, e conseqüentemente a velocidade de crescimento microbianovelocidade de crescimento microbiano.

Variação da velocidade de crescimento com o pH


OXIGÊNIO DISSOLVIDO

Substrato importante em bioprocessos aeróbicos

Pode ser um substrato limitante, pois o oxigênio é pouco solúvel naágua.

Em altas concentrações celulares a velocidade de consumo deoxigênio pode exceder a velocidade de fornecimento de oxigênio,limitando o crescimentolimitando o crescimento.

facultativo

aeróbico estrito



A concentração crítica de oxigênio é o valor da velocidade de consumo deA concentração crítica de oxigênio é o valor da velocidade de consumo deO2 que permite a respiração sem o microrganismo entre em metabolismoanaeróbico

A Ccrit é de 5 a 10% da concentração de saturação de oxigênio dissolvidopara bactérias e leveduras e de 10 a 50% para fungos.



Requerimento específico de oxigênio de microrganismos

]


POTENCIAL REDOX

Afeta a velocidade e a quantidade de muitas reações de oxi-redução.

N i d lt t i l d é f ã d i ê i di l idNum meio de cultura, o potencial redox é função do oxigênio dissolvido,do pH e da concentração de outros íons

O potencial eletroquímico é dado pela seguinte equação:O potencial eletroquímico é dado pela seguinte equação:

RTRT )log(3,2log4

3,2'20

+++= HF

RTPF

RTEE Oh

MODELOS CINÉTICOS PARA QUANTIFICAR O CRESCIMENTO MICROBIANOMICROBIANO

Crescimento limitado pelo substrato cinética de saturação

Equação de Monod:

SKSm

+=

µµSKS +

KS = coeficiente de Monod Sou constante de saturação

= velocidade específica de crescimento máxima quando S >> K

KS = S quando µ = 1/2µmáxKS = relaciona a especificidade do microrganismo com o substrato

µm = velocidade específica de crescimento máxima quando S >> KS

MODELOS CINÉTICOS PARA QUANTIFICAR O CRESCIMENTO MICROBIANOMICROBIANO

Equação de Monod:

Se S >> KS mµµ =SK

Sm

+=

µµ

dX dX

SKS +

∫ ∫X tdX

dtXdX

m =µX

dXdtm =µ ∫ ∫=X t

mdtX

dX

0 0

µ

)(lnln 00 ttXX m −=− µ )( 0mµ

XX − 0lnlntm ∆

= 0µ

EXERCÍCIO 4: O estudo cinético em batelada de produção de etanol pelaEXERCÍCIO 4: O estudo cinético em batelada de produção de etanol pela bactéria Zymomonas mobilis apresentou os seguintes resultados:

Tempo (h) Biomassa (g/L) Glicose (g/L) Etanol (g/L)Tempo (h) Biomassa (g/L) Glicose (g/L) Etanol (g/L)

5 0,05 247 1,5

9 0,15 240 5,0

14 0,45 225 12,0

18 1,20 195 22,0

22 2,80 130 47,0

24 3,40 100 63,0

26 3 80 75 74 026 3,80 75 74,0

30 4,15 40 90,0

35 4,20 25 100,0

Apresente um gráfico utilizando os dados acima e calcule:a) a velocidade específica de crescimento máximab) os coeficientes de conversão substrato/biomassa e substrato/etanolc) o coeficiente que associa a produção de etanol com a de biomassa

Considere as curvas de crescimento da levedura S. cerevisiae abaixo.Identifique as fases de crescimento da levedura, e indique o que cada

EXERCÍCIO 5:

uma das fases significa.O que pode ser concluído quando comparamos as três curvas, sabendoque o cultivo foi realizado em batelada, em frascos erlenmeyer de 500 mL

( ) t i t d i i 200 Le que a curva ( ) representa o crescimento do microrganismo em 200 mLde meio, a curva ( ) em 300 mL e a curva ( ) em 400 mL?Comente sobre a velocidade específica de crescimento, o tempo deduplicação celular e a oxigenação do meioduplicação celular e a oxigenação do meio.

14

16 3

10

12

14

600n

m

1 5

2

2,5

600n

m)

y = 0,286x + 0,686R² = 0,906 6

200 mL

4

6

8

Absorbância

0,5

1

1,5

ln (abs

300 mL

200mL

y = 0,226x + 0,734R² = 0,996

y = 0,205x + 0,848R² = 0,987

4300 mL

400 mL

0

2

0 5 10 15 20

0

0 2 4 6

Tempo (h)

200 mL

400 mL

Tempo (h)

85271222 aula 2 estequiometria do crescimento microbiano e formacao de produto modo de...

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