cinética microbiana. hidrólise glicose piruvato 8 atp ciclo de krebs 30 atp co 2 o2o2 produtos de...

Cinética Microbiana

Hidrólise

Glicose Piruvato

8 ATP

Ciclo de Krebs30 ATP

CO2 O2

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

6 ATP

Respiração Aeróbia

Respiração Anaeróbia(CO2, SO4

2-, NO3-)

Figura 1: Esquema simplificado de processos aeróbios e anaeróbios

Sacarose

• Processos aeróbios: oxigênio como aceptor final de elétrons;

• Processos anaeróbios:

• Fermentativos: Utilizam produtos da degradação do substrato.

Rendimento Energético

Processos aeróbios > Processos anaeróbios

BALANÇO ENERGÉTICO NA RESPIRAÇÃO

100g de Açúcar 380 kcal(100%)

47g Biomassa

264g de CO2

Calor212 kcal(56%)

ATP168 kcal(44%)

O2 108 g de

H2O

38ATP

BALANÇO ENERGÉTICO NA FERMENTAÇÃO

100g de Açúcar 380 kcal(100%)

51,1g de Álcool380 kcal(100%)

48,9g de CO2

Calor380 kcal(4,6%)

ATP9 kcal(2,4%)

1-5 g de Biomassa

2ATP

Estudo Cinético

Processo obedece ao princípio de conservação da matéria

Substrato

Síntese Manutenção

Fonte de Nitrogênio

Elementos minerais: Fósforo, enxofre, cobre, cácio, etc.

CCWWHHXXOOYYNNZZ+aO+aO22+bH+bHggOOhhNNii cCH cCHjjOOkkNN11+dCO+dCO22+eH+eH22O+fCO+fCmmHHppOOqqNNrr

Estudo Cinético

Processo obedece ao princípio de conservação da matéria

CCWWHHXXOOYYNNZZ+aO+aO22+bH+bHggOOhhNNii cCH cCHjjOOkkNN11+dCO+dCO22+eH+eH22O+fCO+fCmmHHppOOqqNNrr

Carbono: w=c+d+fmHidrogênio: x+bg=cj+2e+fpOxigênio: y+2a+bh=ck+2d+e+fgNitrogênio: z+bi=cl+fr

A composição da fonte de carbono, em principio é conhecida;A composição da média da biomassa, também é conhecida;Portanto resultam: quatro equações

seis incógnitasComo prosseguir?Quando se pretende produzir biomassa o número de incógnitas se reduz a cinco;O quociente d/a=quociente respiratório é um dado experimental;

Assim o sistema com quatro equações permite determinar os coeficientes estequíométricos a, b, c, d, e

Estudo Cinético

Processo obedece ao princípio de conservação da matéria

Substrato

Síntese Manutenção

Fonte de Nitrogênio

Elementos minerais: Fósforo, enxofre, cobre, cácio, etc.

CCWWHHXXOOYYNNZZ+aO+aO22+bH+bHggOOhhNNii cCH cCHjjOOkkNN11+dCO+dCO22+eH+eH22O+fCO+fCmmHHppOOqqNNrr

ESTEQUIOMETRIA

• GRAU DE REDUÇÃO: número de moles de eltrons disponíveis por átomo grama de carbono para serem transferidos para o oxigênio

Considera-se H, como unidade de potencial de redox;(C, O, N, S, P) = (+4, -2, -3, 6, 5)Define-se um composto neutro para cada elemento:Carbono: (CO2)Oxigênio: (H2O)Nitrogênio:(NH3)Enxofre: H2SO4

Fósforo: H3PO4

O grau de redução da fonte de carbono da biomassa e do produto pode ser calculado por:

ys=(4w+x-2y-3z)/wyb=4+j-2k-3lyp=(4m+p-2q-3r)/m

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

Figura 2: Contagem em Câmara de Neubauer

Figura 3: Contagem de Células Viáveis em placas

• Determinação da biomassa microbiana

• Matéria seca;

• Medidas óticas.

Figura 4: Separação de células por filtração

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.

Processo Fermentativo

Fermentador

Microrganismo

Preparo do inóculo

Nutrientes

Preparo do meio

Esterilização do meio

Controles

Esterilização do ar Recuperação do produto

Ar

Tratamento de efluente

Produto

Resíduo

Figura 5: Etapas de um processo fermentativo

Obtenção de uma curva de crescimento para um M.O.

Figura 6: Processo para obtenção de uma curva de crescimento

Con

cent

raçã

o (g

/L)

Tempo de Cultivo (h)

Biomassa

Produto

Substrato

Figura 7 : Curvas de crescimento de biomassa, consumo de substrato e formação produto

Curva de crescimento

Condições favoráveis ao microrganismo

Figura 8: Curva típica de crescimento bacteriano

• 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:XocteX

Xo = concentração celular no tempo t =0

• 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.

• Fase de declínio

• Redução do crescimento celular;

• Consumo de material intracelular (lise).

Dispondo de um conjunto de dados experimentais de X,

S e P em função do tempo tem-se:

dt

dp

dt

ds

dt

dxpsx ;;

Crescimento Consumo Formação

Não são os melhores parâmetros para se

avaliar o estado em que se encontram o

sistema.

Velocidades específicas:

• Crescimento: dt

dX

X

1

• Consumo de substrato:dt

dS

Xs

1

• Formação de produto: dt

dP

Xp

1

Distribuindo os dados da fase exponencial em

coordenadas semilogarítmicas, tem-se:

dt

dX

Xdt

Xd 1)ln(

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

)(loglog 0 imi ttXX

X0i= Concentração celular no instante de início da fase exponencial

Rearranjando a equação anterior:

)(0

titi

meXX

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

tXX mi 0lnln

Assim, pode-se obter o tempo de duplicação da biomassa,

onde X=2X0i:

m

Tdup

2ln

Fator de conversão de substrato a células

SS

XXY SX

0

0/

X0= Concentração celular inicial

X= Concentração celular no instante t

S0= Concentração inicial do substrato

S= Concentração residual do substrato no instante t.

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:

SSXY

/

Coeficiente de Manutenção

SXSS Ym

/'

Velocidade específica de consumo de substrato para manutenção da viabilidade celular

Produtividade

F

F

T

XXP 0

X0= Biomassa inicial;

XF= Biomassa final;

TF= Tempo total de cultivo.