METABOLISMO DE LEVEDURAS E A FERMENTAÇÃO …vico/2 monitoramento/3 LEVEDURAS.pdf ·...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOSCentro de Ciências Agrárias – campus Araras
Prof. Jorge José Corrêa LopesUFSCar/DTAiSER/CCA – campus de Araras/SP
e-mail: [email protected]
METABOLISMO DE LEVEDURAS EA FERMENTAÇÃO ETANÓLICA
II CURSO DE MONITORAMENTO TEÓRICO E PRÁTICO DA FERMENTAÇÃO ETANÓLICA
UNESP - UFSCAR
5-10µm
LEVEDURA – AGENTE DA FERMENTAÇÃO
LEVEDURAS
•• MORFOLOGIAUNICELULARES, FREQUENTEMENTES OVAIS, ARREDONDADAS OU ELÍPTICAS.
COMPRIMENTO: 5 - 16 µ
LARGURA: 3 – 7 µ
AFETADAS POR DEFICIÊNCIAS DE NUTRIENTES ( P, Mg, Mn, Zn, etc.) E VITAMINAS (BIOTINA, NIACINA, ÁCIDO PANTOTÊNICO E PIRAMIDINA).
TAMANHO: 5 VEZES MAIORES QUE AS BACTÉRIAS: PERMITE CENTRIFUGAÇÃO E CONTAGEM DIRETA (NEUBAUER).
VACÚOLO
MITOCÔNDRIAS(CRESCIMENTO)
APARELHODE GOLGI
CITOPLASMA(FERMENTAÇÃO)
NÚCLEO
RETÍCULO
CICATRIZ
MEMBRANAPLASMÁTICA
(TREALOSE)
A CÉLULA DE LEVEDURA
PAREDE CELULAR: 30% DO PESO SECO DA CÉLULA.
• COMPOSIÇÃO: POLÍMEROS DE GLUCANA (CELULOSE), MANANA (GOMAS), QUITINA, LIPÍDEOS, FOSFATOS E ESTERÓIDES.
• ASPECTO: POROSO (FILTROS)/SELETIVIDADE; PROPRIEDADES PARA SUBSTÂNCIAS < QUE 4.800 (PM) ATÉ SÍTIO DE ABSORÇÃO.
• ENZIMAS EXTRACELULARES: INVERTASE, MELIBIASE, GLUCOAMILASE etc. (TRANSLOCAÇÃO E DESDOBRAMENTO DAS FONTES DE ENERGIA PARA O CITOPLASMA).
MEMBRANA CITOPLASMÁTICA OU PLASMALEMA.
• LOCALIZADA ABAIXO DA PAREDE CELULAR DELIMITA EM SEU INTERIOR TODAS AS MICROESTRUTURAS E O HIALOPLASMA.
• INTEGRIDADE E ESTABILIDADE: CÁTIONS INORGÂNICOS – Mg2+ ,Ca2+ e K+.
• PERMEABILIDADE SELETIVA: CONTROLE DE TRANSLOCAÇÃO DE COMPOSTOS DO MEIO EXTERNO PARA O INTERNO DA CÉLULA E VICE-VERSA.
RETÍCULO ENDOSPLASMÁTICO: SÍNTESE DE PROTEÍNAS.
VACÚOLO :
MEMBRANA VACUOLAR: NATUREZA LIPOPROTEICA.
ARMAZENAMENTO TEMPORÁRIO DE POLIFOSFATOS, LIPÍDEOS E ENZIMAS.
MITOCONDRIA: PEQUENAS ORGANELAS COM MEMBRANAS UPLAS COM INVAGINAÇÕES INTERNAS (“CRISTAS”).
• FUNÇÃO: CONVERSÃO DE ENERGIA (ATP) E SÍNTESES DE PROTEÍNAS E RNA.
RIBOSSOMOS: SÍNTESE PROTEICA (OCORRE NO CITOPLASMA).
NUTRIENTES DE RESERVA: CARBOIDRATOS E LIPÍDEOS.
NÚCLEO: DESOXIRIBONUCLEOPROTEÍNASE RIBONUCLEOPROTEÍNAS.
BROTAMENTO OU GEMULAÇÃO: MULTIPLICAÇÃO VEGETATIVA (ASSEXUADA).
ESPORULAÇÃO: FORMAÇÃO DE ASCOS - SEXUADA (SOB ESTRESSE).
REPRODUÇÃO EM LEVEDURAS
METABOLISMO DAS LEVEDURAS
CATABOLISMO ANABOLISMO
DEGRADAÇÃO DO SUBSTRATO
(FERMENTAÇÃO E RESPIRAÇÃO)SÍNTESE DE MATERIAL CELULAR
LIBERAÇÃ0 DE ENERGIA (ATP) ENERGIA PARA SÍNTESE
CÉLULAS TOTAIS
1 - LAG-FASE
2 – FASE DE ACELERAÇÃO DO CRESCIMENTO
3 – LOG-FASE OU EXPONENCIAL DE CRESCIMENTO
4 – FASE DE DESACELERAÇÃO DO CRESCIMENTO
5 – FASE ESTACIONÁRIA
6 – FASE DE DECLÍNIO
1 - LAG-FASE: ADAPTAÇÃO, RESCONSTITUIÇÃO ENZIMÁTICA, DEGRADAÇÃO MACROMOLECULAR, ETC. É FUNÇÃO DE:
• LINHAGEM DA LEVEDURA;
• IDADE DO CULTIVO ANTES D TRANSFERÊNIA PARA O MEIO;
• COMPOSIÇÕES DOS MEIOS DE CULTICO ANTERIOR E NOVO.
FASES DE CRESCIMENTO DE CÉLULAS DE LEVEDURAS
2 – FASE DE ACELERAÇÃO: AUMENTO GRADUAL DA VELOCIDADE DE MULTIPLICAÇÃO CELULAR.
FASES DE CRESCIMENTO DE CÉLULAS DE LEVEDURAS
3 – FASE EXPONENCIAL: AUMENTO EXPONENCIAL DO NÚMERO DECÉLULAS. CADA CÉLULA SE DIVIDE A INTERVALOS CONSTANTDE TEMPO. CARACTERZA-SE POR:
AUMENTO EXPONECIAL DO NÚMERO DE CÉLULAS;
• INTENSO METABOLISMO CELULAR;
• GRANDE QUANTIDADE DE PRODUTOS DE EXCREÇÃO, METABÓLITOS INTERMEDIÁRIOS, TEMPERATURAS E OUTROS FATORES QUE ALTERAM RAPIDAMENTE A COMPOSIÇÃO DO MEIO;TEMPO DESTA FASE É CONTROLADA PELA COMPOSIÇÃO E ESTADO FÍSCO DO MEIO E DEPENDE DO NÚMERO DE CÉLULAPOR UNIDADE DE VOLUME E ACÚMULO DE METABÓLITOS E PRODUTOS FINAIS (INIBIDORES);
• A QUANTIIDADE DE INÓCULO NÃO INFLUENCIA O TEMPO DE GERAÇÃONA FASE EXPONENCIAL, MAS RETARDA A FASE DE MULTIPLICAÇÃO CELULAR.
FASES DE CRESCIMENTO DE CÉLULAS DE LEVEDURAS
4 – FASE ESTACIONÁRIA: O NÚMERO DE CÉLULAS PERMANECE QUASE QUE CONSTANTEPOR UM PERÍODO DE TEMPO; HÁ BAIXO CONSUMO DE ENERGIA, MANUTENÇAO DA VIABILIDADE CELULAR ATÉESGOTAMENTO DOS NUTRIENTES. É INFULENCIADA POR;
• ESGOTAMENTO DE NUTRIENTES DO MEIO;• ACÚMULO DE PRODUTOS FINAIS TÓXICOS.
5 – FASE DE DECLÍNIO: O NÚMERO DE CÉLULAS QUE MORRE EXCEDE O DE CÉLULAS NOVAS, QUE É FUNÇÃO DE:
• COMPOSIÇÃO DO MEIO (ESGOTAMENTO DO MEIO, ACÚMULO DE PRODUTOS FINAIS,ETC);
• CONDIÇÕES FÍSICAS E QUÍMICAS DO MEIO( pH, TEMPERATURA,ETC)
METABOLISMO DAS LEVEDURAS
RESPIRAÇÃO: OXIDAÇÃO BIOLÓGICA DE SUBSTRATOS ORGÂNICOS QUE ENVOLVE UM SISTEMA MULTIENZIMÁTICO E O TRANSPORTE DE ELÉTRONS PELA CADEIA RESPIRATÓRIA (STE), RESULTANDO NA FORMAÇÃO DE H2O.
FERMENTAÇÃO: REAÇÕES EM QUE COMPOSTOS ORGÂNICOS ATUAM COMO SUBSTRATOS E COMO AGENTES DE OXIDAÇÃO, EM UMA SEQUÊNCIA ORDENADA DE REAÇÕES ENZIMÁTICAS.
METABOLISMO DAS LEVEDURAS
DESENVOLVIMENTO DAS LEVEDURAS
CRESCIMENTO POPULACIONAL:
• SUPRIMENTO DE NUTRIENTES
• COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO MEIO
• COMPOSIÇÃO FÍSICA DO MEIO
• CONSTITUIÇÃO E ESTÁGIO DE DESENVOLVIMENTO DOS MICROORGANISMOS
DESENVOLVIMENTO DAS LEVEDURAS
É FUNÇÃO DE:
• CONDIÇÕES DO MEIO
• NUTRIENTES E ACIDEZ
• AERAÇÃO E AGITAÇÃO
• TEMPERATURA
OBJETIVO DA LEVEDURA
REPRODUZIR-SE (CRESCIMENTO) PARA A
PERPETUAÇÃO DA ESPÉCIE.
O CRESCIMENTO EM ANAEROBIOSE OBRIGA
A LEVEDURA A PRODUZIR ETANOL E CO2.
A ESCOLHA DO ETANOL FOI FRUTO DE BILHÕES
DE ANOS DE EVOLUÇÃO, PERMITINDO À
LEVEDURA MAIOR COMPETITIVIDADE FRENTE A
OUTROS ORGANISMOS (AÇÃO ANTISSÉPTICA).
OBJETIVO DA LEVEDURA
TRANSFORMANDO O AÇÚCAR EM ÁLCOOL A LEVEDURA OBTÉM A ENERGIA (ATP) E MATERIAL NECESSÁRIOS À SOBREVIVÊNCIA E CRESCIMENTO.
ÁLCOOL E GÁS CARBÔNICO SÃO PRODUTOS DE EXCREÇÃO, SEM UTILIDADE METABÓLICA PARA A LEVEDURA EM ANAEROBIOSE.
A FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA
TRANSFORMAÇÃO DO AÇÚCAR EM ÁLCOOL PELAS LEVEDURAS.
NA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA A LEVEDURA PRODUZ ETANOL E CO2 EM CONDIÇÕES DE ANAEROBIOSE (EFEITO PASTEUR).
C6 H12 O6 C2H5 OH + CO2
GLICOSE ETANOL GÁS CARBÔNICO
ENERGIA (ATP)
BIOMASSA
PRODUTOS SECUNDÁRIOS
FORMAÇÃO DE BIOMASSA EM AEROBIOSE
FORMAÇÃO DE BIOMASSA EM ANAEROBIOSE
CINÉTICA DE CRESCIMENTO DE LEVEDURAS
•• O ESTUDO DA CINO ESTUDO DA CINÉÉTICA DE CULTIVOS TICA DE CULTIVOS MICROBIANOS ESTMICROBIANOS ESTÁÁ VOLTADO PARA VOLTADO PARA DOIS GRANDES OBJETIVOS:DOIS GRANDES OBJETIVOS:
•• MEDIR VELOCIDADES DE TRANSFORMAMEDIR VELOCIDADES DE TRANSFORMAÇÇÕES ÕES QUE OCORREM DURANTE OS PROCESSOS QUE OCORREM DURANTE OS PROCESSOS FERMENTATIVOS: COMO CONSUMO DE FERMENTATIVOS: COMO CONSUMO DE SUBSTRATOS, ACSUBSTRATOS, ACÚÚMULO DE PRODUTOS E MULO DE PRODUTOS E BIOMASSAS.BIOMASSAS.
•• ESTUDAR A INFLUÊNCIA DE FATORES NAS ESTUDAR A INFLUÊNCIA DE FATORES NAS VELOCIDADESDE TRANSFORMAVELOCIDADESDE TRANSFORMAÇÇÕES: ÕES: TEMPERATURAS, pH, GEOMETRIA DOS TEMPERATURAS, pH, GEOMETRIA DOS BIOREATORES, ETC.BIOREATORES, ETC.
CINÉTICA DE CRESCIMENTO DE LEVEDURAS
A CINA CINÉÉTICA DE CULTIVOS MICROBIANOS TICA DE CULTIVOS MICROBIANOS PERMITE O CONHECIMENTO DE CONDIPERMITE O CONHECIMENTO DE CONDIÇÇÕES ÕES MAIS FAVORMAIS FAVORÁÁVEIS VEIS DE SE CONDUZIR E DE SE CONDUZIR E CONTROLAR PROCESSOS FERMENTATIVOS.CONTROLAR PROCESSOS FERMENTATIVOS.
O ESTUDO CINO ESTUDO CINÉÉTICO ENVOLVE DUAS PARTES:TICO ENVOLVE DUAS PARTES:
•• O TRABALHO EXPERIMENTAL DE COLETA DE O TRABALHO EXPERIMENTAL DE COLETA DE DADOS EM LABORATDADOS EM LABORATÓÓRIO, ONDE POCURARIO, ONDE POCURA--SE MEDSE MEDVELOCIDADES E ESTUDAR VELOCIDADES E ESTUDAR ÀÀ INFLUÊNCIA DE INFLUÊNCIA DE FATORES. APFATORES. APÓÓS OBTENS OBTENÇÇÃO DESSES DADOS, TEMÃO DESSES DADOS, TEMQUE INTERPRETQUE INTERPRETÁÁ--LOS.LOS.
•• DETERMINAR AS VELOCIDADES DE DETERMINAR AS VELOCIDADES DE TRANSFORMATRANSFORMAÇÇÕES.ÕES.
tem po
Concentração(g/L)
[Substrato]
[Produto]
•• QUE VELOCIDADES DEVEQUE VELOCIDADES DEVE--SE DETERMINAR?SE DETERMINAR?
•• PARA ESSAS TRANSFORMAPARA ESSAS TRANSFORMAÇÇÕES A VELOCIDADE ÕES A VELOCIDADE PODER SER DEFINIDA A PARTIR DO CONSUMO DA PODER SER DEFINIDA A PARTIR DO CONSUMO DA SUBSTÂNCIA SUBSTÂNCIA S S OU A PARTIR DA PRODUOU A PARTIR DA PRODUÇÇÃO DA ÃO DA SUBSTÂNCIA P OU SUBSTÂNCIA P OU X.X.
•• ((dSdS//dtdt)) tt11 = VELOCIDADE DE CONSUMO DE = VELOCIDADE DE CONSUMO DE
SUBSTRATO S NO INSTANTE tS NO INSTANTE t1 1 (g/L.h)(g/L.h)
•• ((dPdP//dtdt)) tt11 = VELOCIDADE DE FORMA= VELOCIDADE DE FORMAÇÇÃO DE ÃO DE
PRODUTO P NO INSTANTE tP NO INSTANTE t1 1 (g/L.h)(g/L.h)
•• ((dSdS//dtdt)) tt11 = VELOCIDADE DE FORMA= VELOCIDADE DE FORMAÇÇÃO DE ÃO DE
BBIOMASSA CELULAR X NO INSTANTE tX NO INSTANTE t1 1 (g/L.h)(g/L.h)
•• NO ESTUDO DE PROCESSOS FERMENTATIVOS, NO ESTUDO DE PROCESSOS FERMENTATIVOS, AS TRANASFORMAAS TRANASFORMAÇÇÕES SÃO CATALISADAS POR ÕES SÃO CATALISADAS POR ENZIMAS ENZIMAS QUE,QUE, SÃO PRODUZIDAS POR SÃO PRODUZIDAS POR MICRORGANISMOS. A CONCENTRAMICRORGANISMOS. A CONCENTRAÇÇÃO DE ÃO DE MICRORGANISMOS PRESENTES NÃO MICRORGANISMOS PRESENTES NÃO ÉÉCONSTANTE COM O TEMPO, DIFICULTANDO CONSTANTE COM O TEMPO, DIFICULTANDO COMPARACOMPARAÇÇÕES ENTRE iNSTANTES ÕES ENTRE iNSTANTES CONSECUTIVOS.CONSECUTIVOS.
•• COMO SOLUCIONAR TAL PROBLEMA?COMO SOLUCIONAR TAL PROBLEMA?
µµ = VELOCIDADE ESPEC= VELOCIDADE ESPECÍÍFICA DE CRESCIMENTOFICA DE CRESCIMENTO
CINÉTICA DE CRESCIMENTO DE LEVEDURAS
µµSS = (1/E) . (= (1/E) . (dSdS//dtdt))
E = CONCENTRAE = CONCENTRAÇÇÃO DO COMPLEXO ÃO DO COMPLEXO ENZIMA/SUBSTRATO (DIFENZIMA/SUBSTRATO (DIFÍÍCIL CIL DETERMINADETERMINAÇÇÃO EXPERIMENTAL)ÃO EXPERIMENTAL)
µµP P = (1/E) . (= (1/E) . (dPdP//dtdt))
µµS S = (1/S) . (= (1/S) . (dSdS//dtdt))
µµP P = (1/P) . (= (1/P) . (dPdP//dtdt))
µµXX = (1/X) . (= (1/X) . (dPdP//dtdt))
CINÉTICA DE CRESCIMENTO DE LEVEDURAS
TEMPO DE GERAÇÃO
•• ÉÉ O TEMPO NECESSO TEMPO NECESSÁÁRIO PARA QUE A MASSA OU RIO PARA QUE A MASSA OU NNÚÚMERO DE MICRORGANISMOS DUPLIQUE.MERO DE MICRORGANISMOS DUPLIQUE.
NNÚÚMERO DE MERO DE CCÉÉLULASLULAS
NNÚÚMERO DEMERO DEGERAGERAÇÇÕESÕES
1
2
3
4
n
(0) X0 . 20
(1) X0 . 21
(2) X0 . 22
(3) X0. 22
(n) X0 . 22
COMO EXPLORAR OS OBJETIVOS DA LEVEDURA COM OS DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL?
AJUSTAR OS OBJETIVOS DE PRODUÇAO DE ETANOL, COMO BIOMASSA CELULAR E ETANOL, ÀS NECESSIDADES DAS LEVEDURAS.
MINIMIZAR AS INTENSIDADES DOS “ESTRESSES” CAUSADOS PELO PROCESSO FERMENTATIVO.
UTILIZAR LINHAGENS DE LEVEDURAS SELECIONADAS AO PROCESSO FERMENTATIVOS
ADEQUAR AS NECESSIDADES DAS LEVEDURAS EM RELAÇÃO AOS NUTRIENTES MINERAIS: N, P, K, Mg, Mn, etc.
PROCURAR CONTROLAR OS AGENTES TÓXICOS E “ESTRESES”, PROVOCADOS PELO PROCESSO DE FERMENTAÇÃO, COMO:
ALUMÍNIO, SULFITO E EXCESSO DE CÁTIONS, COMO, K+ E Ca++.TEMPERATURAS ELEVADAS.
CONCENTRAÇÕES ELEVADAS DE ETANOL.
ACIDEZ (pH)
PRESSÃO OSMÓTICA (SUBSTRATO E SAIS).
CONTAMINAÇÃO BACTERIANA.
OBRIGADO POR SUA ATENÇÃOE PACIÊNCIA
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOSCentro de Ciências Agrárias – campus Araras
Prof. Jorge José Corrêa LopesUFSCar/DTAiSER/CCA – campus de Araras/SP
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