PROCESSOS

FERMENTATIVOS

NUTRIENTE + MICRORGANISMO PRODUTO + MICRORGANISMO (inicial) (final)

Componentes do

processo fermentativo

Micro-organismo (X)

nutrientes (substratos) (S)

produtos (P)

CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS

FERMENTATIVOS

Þ QUANTO A PRESENÇA DE OXIGÊNIO:

- aeróbio

- anaeróbio

QUANTO AO SUPRIMENTO DE OXIGÊNIO:

- aerado

- não aerado

OBS:

- aerado só pode ser aeróbio

- anaeróbio e aerado: impossível (efeito pasteur...)

- não aerados podem ser aeróbios e anaeróbios

- aeróbio e não aerado: placa de petri , FES

Þ QUANTO AO MODO DE CULTIVO:

- submerso

- semi-sólido: matriz sólida insolúvel, não há

separação da matriz do meio líquido.

QUANTO A MANEIRA DE CONDUÇÃO DO

PROCESSO:

1) descontínuo, batelada, “batch”

2) contínuo

3) semi-contínuo

1) descontínuo, batelada, “batch”:

a maioria das indústrias usa este processo

Batelada simples: é colocado todo o meio e

após a fermentação é retirado todo o meio

fermentado

Batelada alimentada: é colocado meio não

fermentado no fermentador durante o processo.

A vantagem é que reduz a quantidade de

inóculo.

2) contínuo:

Vantagens:

- uniformidade do processo

- operação nas condições ótimas

- redução de custos

- redução de tempo, aumento produtividade

- redução de capacidade instalada

- facilidade de controle do processo

- “redução de mão de obra”

Desvantagens:

- manutenção da assepsia

- mutação

3) semi-contínuo:

Alimentações intermitentes

Retirada de produto ao longo da fermentação,

adicionado substrato, quando a concentração de

produto ou célula chegar a uma determinada

concentração.

QUANTO A FORMAÇÃO DE PRODUTO:

1) associado ao crescimento

2) parcialmente associado ao crescimento

3) não associado ao crescimento

FORNECEM O TEMPO IDEAL DE FERMENTAÇÃO

1) Produtos associados ao crescimento: as taxas

específicas de formação do produto e de crescimento

celular são proporcionais.

Metabólitos primários, enzimas constitutivas,

etanol, algumas vitaminas,

aminoácidos, etc.

2) Formação de produto parcialmente associado ao

crescimento: sua formação não está diretamente ligada

ao caminho metabólico produtor de energia.

Ex: Produção de ácido lático, cítrico, etc.

3) Formação de produto não associado ao crescimento:

não há uma associação clara entre as velocidades que

permita estabelecer uma relação.

Produção de penicilina, outros

antibióticos, toxinas microbianas, etc.

1 – Produção de antibiótico; 2- consumo de açúcar;

3 – consumo de oxigênio; 4 – crescimento do MO

ESTUDO CINÉTICO DE UM PROCESSO FERMENTATIVO

Análise da Evolução dos Perfis de Concentração dos Componentes do Sistema de Cultivo em função do Tempo de Fermentação

s

s

X

X

P

P

tempo

conce

ntr

açã

o

QUAIS SÃO AS SUBSTÂNCIAS QUE DEVEM SER

ESCOLHIDAS PARA O ESTUDO CINÉTICO?

- PRODUTO DE INTERESSE ECONÔMICO

- SUBSTRATO LIMITANTE

O QUE É SUBSTRATO LIMITANTE?

É aquele que limita a formação de biomassa ou

produto, em outras palavras é o substrato cuja

concentração inicial (So) que definirá a concentração

máxima (Xm) da população microbiana.

COMO OBTÉM-SE OS DADOS PARA FAZERMOS O

ESTUDO CINÉTICO DO PROCESSO FERMENTATIVO?

1) Escolher as variáveis

2) Escolher os métodos de medida

3) Inocular o meio e conservar o sistema em

condições favoráveis

4) Retirar as amostras periodicamente e

determinar as concentrações de S, P e X.

DIFICULDADES:

- Identificar o substrato limitante

- Verificar quais compostos devem ser monitorados

- Estabelecer técnicas confiáveis de determinação

das concentrações de células, nutrientes e produtos

S

S1

S2

X

X

tempo

Diauxia

Múltiplas lag-fases, devido a existência de múltiplas fontes de carbono;

Mudança nas vias

metabólicas para se

adaptar ao novo S;

A fonte de carbono de mais fácil utilização (S1) reprime a síntese de enzimas requeridas para o metabolismo da fonte (S2).

http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/GrowPresent/diauxie.htm

CURVA TÍPICA DE CRESCIMENTO CELULAR EM BATELADA

1: fase de latência ou lag2: fase de transição3: fase log ou exponencial

 

4: fase linear de crescimento5: desaceleração6: fase estacionária7: fase de declínio ou lise

Fase lag:

- Rearranjo do sistema enzimático (síntese de enzimas)

- Não há variação da concentração de biomassa no

tempo, portanto:

Fatores que afetam a duração da fase: baixa

concentração de nutrientes; inóculo com concentração

celular reduzida (normalmente 5 a 10%); meio de cultura

(meio do inóculo deve ser o mais próximo possível do

meio usado na fermentação); inóculo com idade

avançada.

constante XoX

Fase log ou exponencial

- Células plenamente adaptadas;

- Velocidades de crescimento elevadas;

- Massa celular e o número de células aumentam exponencialmente com o tempo;

- Consumo de substrato;

- Formação de metabólitos primários

Fase intermediária:

-Aumento gradativo da concentração celular

Fase estacionária

- Término do substrato limitante;

- Acúmulo de produtos tóxicos;

- Concentração celular constante em seu valor máximo

Fase de redução de velocidade:

- Estresse induzido pela exaustão de um nutriente ou pelo acúmulo de resíduos

Fase declínio ou morte celular

- Ocorre devido à diminuição da concentração de

nutrientes e do acúmulo de produtos tóxicos;

VELOCIDADES INSTANTÂNEAS

dtdS

dtdX

dtdP

S P

X

t

X

Tempo

Con

centraç

ão

Crescimento celular:

Consumo de substrato:

Formação de produto:

dtdX

rx

dtdS

rs

dtdP

rP

VELOCIDADES ESPECÍFICAS

As velocidades específicas são usadas pois a concentração celular pode sofrer variação considerável em um pequeno intervalo de tempo.

Crescimento celular:

Consumo de substrato:

Formação de produto:

dtdX

x X1

dtdS

S X1

dtdP

P X1

- taxa específica de crescimento celular: dTdX

x X1

CINÉTICA DE CRESCIMENTO MICROBIANO

Qual a diferença entre a fase log e a fase linear de crescimento?

Na fase log a velocidade específica de crescimento celular é constante, podemos determinar graficamente.

s

s

X

X

P

P

[ ]

tempo

Integrando:

LnX = maxt + LnXo

m = constante = mmax

dtd

maxXX

constante

dt

dX

X

Y = a . x + b

tempoLn

X

máx

Tempo de duplicação celular na fase Log

dtXdX

max

tot

XX

Ln max0

0

2

Tempo de geração=tg

max

693,0

gtgtXX

Ln max0

0

2

Na fase linear de crescimento a velocidade de crescimento celular é constante.

constante dt

dXXr

dtr dx X

Xf = X0 + rX (tf – t0)

FATORES DE CONVERSÃO, FATORES DE RENDIMENTO OU COEFICIENTES DE

RENDIMENTO Relacionam o X, P e S para um determinado tempo de fermentação. Variam de acordo com a fase do cultivo celular e são definidos com base no consumo de um material:

Rendimento de célula por nutriente:

Rendimento de célula por produto:

Rendimento do produto por nutriente:

SSX - X

SX

Y0

0X/S

0

0X/P PP

X - XPX

Y

SSP - P

SP

Y0

0P/S

PRODUTIVIDADE

Taxa na qual o produto ou a biomassa é formada.

F

0Ft

XXP

X0= Biomassa inicial;

XF= Biomassa final;

TF= Tempo total de cultivo.

F

0Ft

PPP

P0= Produto inicial = 0;

PF= Produto final;

TF= Tempo total de cultivo.

Exemplo: Dados os resultados obtidos em um processo fermentativo calcule os valores de YX/S, YP/S, YX/P,

produtividade em célula, em produto, rS, rp, rx, S, P, X.

tempo(h) X(g/L) S(g/L) P(g/L) tempo(h) X(g/L) S(g/L) P(g/L)0 0,89 106,90 0,00 15 3,31 65,70 21,801 0,89 106,90 0,00 16 3,600 59,20 24,402 0,89 106,90 0,00 17 3,89 52,50 27,003 0,91 106,30 0,04 18 4,18 45,70 29,604 0,97 105,60 0,68 19 4,45 38,90 32,105 1,07 104,60 1,59 20 4,71 32,20 34,406 1,19 103,10 2,76 21 4,95 25,90 36,607 1,35 101,10 4,17 22 5,17 20,00 38,608 1,52 98,60 5,80 23 5,35 14,80 40,309 1,73 95,60 7,65 24 5,49 10,50 41,70

10 1,95 91,90 9,68 25 5,57 7,40 42,7011 2,20 87,70 11,90 26 5,57 7,00 42,8012 2,46 82,90 14,20 27 5,57 7,00 42,8013 2,73 77,60 16,70 28 5,57 7,00 42,8014 3,01 71,90 19,20

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28Tempo (h)

X (g/L)

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28Tempo (h)

S (g/L)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28Tempo (h)

P (g/L)

g/g 0,43

7106,9

0,042,8

S0

S

0P - P

S

P

P/SY

g/g 11,0

0,08,42

89,057,5

0PP

0X - X

P

X

X/PY

g/g 0,0487106,90,895,57

S0

S

0X - X

S

X

X/SY

g/L/h 0,19224

0,895,49

Ft0XFX

P

g/L/h 0,16728

0,8957,5

Ft0XFX

P

24

X

28

X

g/L/h 1,7324

0,0,714

Ft0PFP

P

g/L/h 1,5328

0,08,24

Ft0PFP

P

24

p

28

p