cinÉtica fermentaÇÕes

24/08/2015

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1. INTRODUÇÃO

Cinética das fermentações descreve o crescimento do

MO e a formação do produto pelo MO

Nutriente (S) + MO (X)

CINÉTICA PROCESSO FERMENTATIVO

Produto (P) + MO (X)

Quais substâncias (consumidas e produzidas) devemos

escolher para estudo cinético?

S limitante

P de interesse

Bioquímica Industrial- professora Cristina Fantini

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Para realizar o estudo cinético proceder à

fermentação e de tempos em tempos coletar alíquotas do

caldo fermentado para determinar [S], [P] e [X]

Objetivos do estudo cinético

Representação gráfica do processo fermentativo com o

tempo



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2. Cinética do Crescimento Microbiano

Crescimento do MO Caracterizado por um acréscimo

em massa celular

Ocorre somente quando certas condições são satisfeitas

Condições físicas e químicas

pH, T (°C) e [nutrientes]

Crescimento populacional definido como o aumento do

n° celúlas ou da massa microbiana

Taxa de crescimento é a variação do n° de células ou

massa de MO por unidade de tempo



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CURVA CRESCIMENTO MICROBIANO

A – B = fase de latência ou fase lag

B – C = fase de transição

C – D = fase logarítmica ou fase log

D – E = fase linear de crescimento

E – F = fase de desaceleração

F – G = fase estacionária

G – H = fase de morte ou declínio


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CURVA CRESCIMENTO MICROBIANO

A = fase lag

B = fase log

C = fase estacionária

D = fase declínio


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1) Fase de latência ou fase lag

Fase de adaptação = fase de ajuste

Período variável

Ainda não há um aumento significativo da população

tx. de crescimento ~ zero

Inicia logo após a inoculação

Célula sintetiza enzimas necessárias ao seu metabolismo

reorganização celular no “novo” meio

Duração depende de: Valor de X0; composição do meio;

idade e viabilidade celular

CRESCIMENTO MICROBIANO


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2) Fase de Transição

3) Fase Log

Células já estão totalmente adaptadas, absorvendo os

nutrientes, sintetizando seus constituintes, crescendo e se

duplicando

Período de crescimento balanceado velocidade

específica de crescimento, µ é constante

A taxa de crescimento exponencial é variável, de acordo

com o tempo de geração do organismo em questão.


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O tempo de geração (Tg) é o intervalo de tempo

necessário para que uma célula se duplique.

O tempo de geração é variável para os diferentes

organismos, podendo ser de 10 a 20 minutos até dias,

sendo que em muitos dos organismos conhecidos, este

varia de 1 a 3 horas

Nesta fase são realizadas as medidas de Tg

Fase log é representada por uma reta no gráfico semi-

log de lnX versus tempo


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4) Fase Linear de Crescimento

5) Fase de Desaceleração

Em algum momento do cultivo rX começa a diminuir

desaparecimento de algum nutriente ou acúmulo de um P

inibidor

velocidade de crescimento

Célula passa por transição até que rX = zero (fase

estacionária)


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6) Fase Estacionária

X atinge valor máximo e constante = Xm

Nesta etapa não há um crescimento líquido da

população, ou seja, o número de células que se divide é

equivalente ao número de células que morrem

Tx. de crescimento = zero

Equilíbrio entre velocidade de crescimento e velocidade

de morte crescimento líquido da população = zero

É na fase estacionária que são sintetizados vários

metabólitos secundários

5) Fase de Morte

Rompimento do MO (lise celular)


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2.1 Velocidade Específica de Crescimento Celular

Devido ao fato de que a concentração microbiana X

aumenta durante um cultivo, aumentando

consequentemente a concentração do complexo

enzimático responsável pela transformação do S em P

Mais correto analisar os valores das velocidades

instantâneas com relação à referida concentração

microbiana especificar o valor de X em um dado

instante analisado = Velocidade Específica de Crescimento



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Em cinética de fermentações não é usado a variável r

(veloc. instantânea de crescimento) e sim usado o valor

de µ

VELOCIDADE ESPECÍFICA DE CRESCIMENTO CELULAR


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X = [celular] (g/L)

t = tempo

rX = veloc. Instantânea (g/L.h)

µ = velocidade específica de

crescimento celular (h-1)

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Integrando dX/dt = µ X, quando µ é constante, temos:



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Quando Δt = Tg, isto é, tempo requerido para X2 = 2X1,

chamado tempo de geração, temos:

assim,

Podemos representar o crescimento exponencial (fase

log) pela seguinte reta:



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tempo

lnX

µ é a inclinação da reta

Eq. Usada para calcular µ na fase log

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µ e Tg são parâmetros importantes em microbiologia

permitem prever a evolução da [X] ao longo da fase log

Usados para avaliar a resposta do MO às diversas

condições do ambiente



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máx

fase exponencial

µ

fase lag fase estacionária

3. Cinética de Consumo de Nutrientes

Dispondo dos dados de concentração de nutrientes no tempo

de fermentação, como mostrado, em destaque, na curva da

figura abaixo, é possível obter a velocidade de consumo de

nutrientes em cada ponto



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s

s

X

X

P

P

[ ]

tempo

A velocidade de consumo de S é aderivada em cada ponto (rS = dS/dt)

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No estudo das cinéticas fermentativas não é usado a variável

velocidade de consumo de nutrientes (rS) e sim a Velocidade

Específica de Consumo de Nutrientes (µs) que é definido da

seguinte maneira:

CINÉTICA DE CONSUMO DE NUTRIENTES


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dt

dS

X

s

Onde:

S = Concentração de nutrientes (g/L)

X = Concentração celular (g/L)

T = Tempo (h)

µs = Velocidade específica de consumo de nutrientes (h-1)

4. Cinética de Formação de Produto

Formação de produto metabólito pode ser relacionada a

consumo de nutriente.

Além do mais, formação de produto não pode ocorrer sem a

presença de células.

Assim, é esperado que o crescimento de X e a formação de P

estejam intimamente relacionados à utilização de nutrientes.

Dependendo dos controles metabólitos regulatórios, a

formação de produto será ligada a crescimento e/ou

concentração celular.



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A relação cinética entre crescimento e formação de produto

depende do papel do produto no metabolismo celular.

As duas cinéticas mais comuns são aquelas que descrevem a

síntese do produto durante o crescimento e após o crescimento

ter cessado.

Um exemplo menos comum aplica ao caso onde o crescimento

inicialmente ocorre sem formação de produto, mas após algum

período de tempo o produto começa a aparecer enquanto o

crescimento continua.

CINÉTICA DE FORMAÇÃO DE PRODUTO


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CINÉTICA DE FORMAÇÃO DE PRODUTO


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X

P

X

X

P

P

[ ][ ]

[ ]

t t

t

(a) Formação de P associado ao crescimento (b) Formação de P parcialmente associadoao crescimento

(c) Formação de P não associado ao crescimento

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No gráfico (a) a formação de produto é associado ao

crescimento celular.

No gráfico (b) temos formação de produto associado ao

crescimento, de uma forma mais ou menos confusa, chamada de

formação de produto parcialmente associada ao crescimento.

No gráfico (c) temos formação de produto não associada ao

crescimento.

A velocidade de formação de produto é a derivada de P em

cada ponto dP/dt. Da mesma forma dP/dt não é usado

(velocidade de formação de produto) e pode ser transformada

em Velocidade Específica de Formação de Produto (µP) que

é definido da seguinte maneira:


21dt

dP

X

p

5. Fatores de Conversão

O crescimento de X e a formação de P por X são processos de

bioconversão S é convertido em X e metabólitos,

principalmente P

Cada uma destas conversões pode ser quantificada por um

coeficiente de rendimento = massa de células ou produto

formado por unidade de massa de S consumido

YX/S

fator de conversão de S em X

YP/S

fator de conversão de S em P



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Processos onde o P principal são células, ou seja, o objetivo

é a produção de X maximizar o crescimento celular e

minimizar a formação de P YX/S

> YP/S

Processos onde o P principal são metabólitos maximizar

formação de P e minimizar o crescimento de X YP/S

> YX/S

6. Influência da [S] sobre a velocidade específica de

crescimento

A velocidade de crescimento, como uma velocidade de reação

química, é uma função da concentração de compostos químicos.

Os compostos químicos nesse caso são os nutrientes

essenciais para o crescimento.

A forma da relação entre velocidade de crescimento e

concentração de nutriente foi observada em 1949 por Monod,

sendo similar à cinética de saturação exibida por adsorção

monomolecular de Langmuir.



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6.1 Equação de Monod

A eq. de Monod(1949) usada para explicar a relação entre

[S] e µX



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µm = Velocidade específica máxima de crescimento celular

KS = Constante de saturação

6.2 Significado de KS

Se considerarmos KS = S, na equação de Monod temos:



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No inicio do cultivo, [S] é alto o MO apresenta µ próximo à

µm

Quanto menor o valor de KS mais amplo será o patamar,

quase horizontal da curva µ X S


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Na teoria nunca é atingido o valor de µm, por mais alta que

seja a [S] inicial

Na prática, os valores experimentais podem ser considerados

como tal isso devido aos erros que afetam os valores

calculados de µX

A idéia é sempre trabalhar com S que apresente menor valor

de KS maior rendimento do processo fermentativo

6.3 Determinação das Constantes Cinéticas

A forma gráfica de determinar as constantes cinéticas da eq.

de Monod é chamada de linearização de Lineweaver-Burk =

inversão da eq. de Monod



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Os valores de KS são muito pequenos em relação a [S] nas

fermentações industriais

µ ~ µm quando [S] = 10KS

Para [S] < 10 KS µ é uma forte função da [S]

Durante a fase exponencial µ é constante

Quanto menor valor de KS, maior rendimento da fermentação

Para determinar valores de KS e µm fazer linearização e pela

equação da reta determinar estas constantes cinéticas



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