Cinética de processos fermentativos Variação das concentrações de um ou mais componentes do sistema, em função do tempo de fermentação. (Conclusões empregando apenas valores iniciais e finais não constituem estudo cinético, e têm pouco valor para o desenvolvimento de um processo.) Componentes: células (ou biomassa), produtos do metabolismo, nutrientes ou substratos. Os valores experimentais, representados em função do tempo, permitem traçar curvas de ajuste.

Considerações Para o estudo cinético, escolhe-se o produto de interesse econômico, e, quanto aos substratos, adota-se o substrato limitante O estudo cinético é fundamental para a transposição de escala O estudo cinético possibilita a comparação entre diferentes condições de cultivo, empregando-se os parâmetros envolvidos O(s) critério(s) de comparação deve(m) ser escolhido(s) de acordo com sua importância para o processo em estudo.

A determinação da concentração celular no meio constitui uma das dificuldades para um estudo cinético preciso, mesmo em meio aquoso e cultura pura. Em processos com cultura mista e sólidos em suspensão, o problema é ainda maior. Outros casos: células floculantes ou filamentosas, células imobilizadas em suportes inertes ou biodegradáveis e células em meio sólido. Substrato parcialmente insolúvel ou substrato em meio sólido (dificuldade de dosagem).

Tipos de processos fermentativos Quanto à forma de condução do processo Descontínuo Descontínuo alimentado Contínuo Semi-contínuo (e suas variações) Quanto ao tipo de crescimento do microrganismo Submerso Em superfície

Quanto ao fornecimento de oxigênio Aeróbio Anaeróbio Quanto ao estado físico do meio Em meio líquido Em meio sólido

Parâmetros estequiométricos relacionados com a cinética de crescimento Fator de conversão de substrato em células: Lembrar que o substrato consumido tem vários “destinos”: ∆S = ∆Sbiomassa + ∆Sproduto + ∆Senergia cresc. + ∆Senergia manut.

Fator de conversão de oxigênio em células: Fator de conversão de substrato em produto:

Coeficiente de manutenção celular: Alguns valores típicos: Para crescimento de bactérias e leveduras (maioria) em meio aeróbio com glicose: YX/S = 0,4 a 0,6 g/g e YX/O2 = 0,9 a 1,4 g/g Substrato metano: YX/S = 0,6 a 1,0 g/g e YX/O2 ≈ 0,2 g/g

Para crescimento em meio anaeróbio, estes valores são substancialmente menores. Crescimento aeróbio e anaeróbio de Streptococcus faecalis em meio contendo glicose como substrato.

Calcule a velocidade específica de crescimento máxima. Exercício: Uma cepa de fungo filamentoso foi crescida em cultivo descontínuo em meio contendo glicose como substrato, obtendo-se os dados da tabela abaixo. Tempo (h) Conc. Celular (g/L) Conc. Glicose (g/L) 1,25 100,0 9 2,45 97,0 16 5,1 90,4 23 10,5 76,9 30 22,0 48,1 34 33,0 20,6 36 37,5 9,38 40 41,0 0,63 Calcule a velocidade específica de crescimento máxima. Calcule o fator de conversão de substrato em células aparente. Se a concentração inicial de substrato fosse 150 g/L, qual seria a concentração celular máxima esperada (para o mesmo Xo)?

Concentração celular (-■-) e concentração de glicose (-▼-) em função do tempo durante o crescimento de um fungo filamentoso em sistema de descontínuo (referente ao exercício do slide anterior).

Efeito das condições de cultivo sobre a cinética de crescimento Temperatura Velocidade de crescimento duplica a cada 10 oC até a temperatura ótima Acima da temperatura ótima a velocidade decresce, podendo haver morte celular μ’R e k’d variam com a temperatura de acordo com a equação de Arrhenius.

O coeficiente de manutenção aumenta com o aumento da temperatura em valores acima da temperatura ótima. Assim, o fator de conversão YX/S diminui. A temperatura pode também afetar a etapa limitante de velocidade de um processo fermentativo: Se, numa determinada temperatura, a velocidade de uma biorreação se torna maior que a velocidade de difusão, a difusão será uma etapa limitante da velocidade do processo (p.e., em sistemas de células imobilizadas).

pH O pH afeta a atividade enzimática e, portanto, a velocidade de crescimento celular. Alguns valores típicos de faixa de pH ótimo de crescimento. Organismo Faixa de pH ótimo Bactérias 3,0 a 8,0 Leveduras 3,0 a 6,0 Fungos filamentosos 3,0 a 7,0 Células vegetais 5,0 a 6,0 Células animais 6,5 a 7,5 Muitos organismos tem mecanismos para manter o pH intracelular constante quando ocorre flutuação deste no meio.

Quando o pH do meio difere do valor ótimo, o requerimento de energia para manutenção aumenta, afetando a velocidade de crescimento.

Oxigênio dissolvido O oxigênio pode ser um substrato limitante, uma vez que é pouco solúvel em água Em altas concentrações celulares o consumo de oxigênio pode ser maior que o fornecimento, levando a uma limitação em oxigênio Quando o oxigênio é o fator limitante do crescimento, a velocidade específica de crescimento varia de acordo com a cinética de saturação Acima da concentração de oxigênio crítica a velocidade de crescimento é independente da concentração de OD.

Alguns valores típicos de concentração de oxigênio crítica: 5% a 10% da concentração de saturação para bactérias e leveduras 10% a 50% da concentração de saturação para fungos filamentosos, dependendo do tamanho dos pellets. Obs.: Concentração de saturação de oxigênio em água (a 25 oC e 1 atm) = 7ppm A presença de sais e compostos orgânicos dissolvidos alteram a concentração de saturação, e, quanto maior a temperatura menor seu valor.

A transferência de oxigênio da fase gasosa para a fase líquida é dada por: A velocidade de consumo de oxigênio pelas células é dada por:

Quando a transferência de oxigênio é a etapa limitante, a velocidade de consumo de oxigênio é igual à velocidade de transferência:

Outros fatores que podem influenciar a velocidade de crescimento: Potencial redox Concentração de dióxido de carbono dissolvido Concentração de alguns sais Concentração de substrato

Concentrações de Carboidratos Redutores Totais durante o crescimento de Klebsiella pneumoniae em meio centrifugado (-■-) e não centrifugado (-▲-) após a adição de nutrientes e ajuste do pH.