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.
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