CINÉTICA DO CRESCIMENTO MICROBIANO

Prof. João Batista de Almeida e SilvaEscola de Engenharia de Lorena-USP

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

• Processos aeróbios: oxigênio como aceptor final de elétrons;

• Processos anaeróbios:

• Fermentativos: Utilizam produtos da degradação do substrato.

• Anóxicos: Utilizam compostos inorgânicos.

Rendimento Energético

Processos aeróbios > Processos anaeróbios

Estudo Cinético

Processo obedece ao princípio de conservação da matéria

OGHFCONOHECOHDNHBOOHAC cba 2242 ++→++ δγβα

Substrato

Síntese Manutenção

Fonte de Nitrogênio

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

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 produtoAr

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 crescimentoCondições 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:

dtdp

dtds

dtdx

psx =−== μμμ ;;

Crescimento Consumo Formação

Não são os melhores parâmetros para se

avaliar o estado em que se encontram o

sistema.

Velocidades específicas:

• Crescimento: dtdX

X1

=μ

• Consumo de substrato: dtdS

Xs1

−=μ

• Formação de produto: dtdP

Xp1

=μ

Distribuindo os dados da fase exponencial em coordenadas semilogarítmicas, tem-se:

μ==dtdX

XdtXd 1)ln(

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

)(loglog 0 imi ttXX −=− μ

X0i= Concentração celular no instante de início da fase exponencial

Rearranjando a equação anterior:

)(0

titi

meXX −= μ

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

tXX mi μ+= 0lnln

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

onde X=2X0i:

m

Tdupμ

=2ln

Fator de conversão de substrato a células

SSXX

Y 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

μμ

=/

Coeficiente de Manutenção

SXSS Y

m/'

μμ +=

Velocidade específica de consumo de substrato para manutenção da viabilidade celular

Produtividade

F

F

TXX

P 0−=

X0= Biomassa inicial;

XF= Biomassa final;

TF= Tempo total de cultivo.