Cinética Microbiana

Figura 1: Esquema simplificado de processos aeróbios e anaeróbios Sacarose Hidrólise Glicose Piruvato Produtos de Fermentação ( lactato, álcoois, ácidos, etc.) 8 ATP 6 ATP 30 ATP Ciclo de Krebs Respiração Anaeróbia (CO2, SO42-, NO3-) CO2 O2 Respiração Aeróbia Figura 1: Esquema simplificado de processos aeróbios e anaeróbios

Rendimento Energético 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 Calor 212 kcal (56%) 264g de CO2 100g de Açúcar 380 kcal (100%) 47g Biomassa O2 108 g de H2O ATP 168 kcal (44%) ATP 38

BALANÇO ENERGÉTICO NA FERMENTAÇÃO Calor 380 kcal (4,6%) 100g de Açúcar 380 kcal (100%) 51,1g de Álcool 380 kcal (100%) 48,9g de CO2 1-5 g de Biomassa ATP 9 kcal (2,4%) ATP 2

Estudo Cinético Processo obedece ao princípio de conservação da matéria CWHXOYNZ+aO2+bHgOhNi cCHjOkN1+dCO2+eH2O+fCmHpOqNr Substrato Fonte de Nitrogênio Elementos minerais: Fósforo, enxofre, cobre, cácio, etc. Síntese Manutenção

Estudo Cinético Processo obedece ao princípio de conservação da matéria CWHXOYNZ+aO2+bHgOhNi cCHjOkN1+dCO2+eH2O+fCmHpOqNr Carbono: w=c+d+fm Hidrogênio: x+bg=cj+2e+fp Oxigênio: y+2a+bh=ck+2d+e+fg Nitrogênio: 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 incógnitas Como 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 CWHXOYNZ+aO2+bHgOhNi cCHjOkN1+dCO2+eH2O+fCmHpOqNr Substrato Fonte de Nitrogênio Elementos minerais: Fósforo, enxofre, cobre, cácio, etc. Síntese Manutenção

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)/w yb=4+j-2k-3l yp=(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

Figura 4: Separação de células por filtração 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

Biomassa Concentração (g/L) Produto Substrato Tempo de Cultivo (h) Figura 7 : Curvas de crescimento de biomassa, consumo de substrato e formação produto

Curva de crescimento Figura 8: Curva típica de crescimento bacteriano Condições favoráveis ao microrganismo Figura 8: Curva típica de crescimento bacteriano

Xo = concentração celular no tempo t =0 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: 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 Fase de declínio 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: Crescimento Consumo Formação Não são os melhores parâmetros para se avaliar o estado em que se encontram o sistema.

Velocidades específicas: Crescimento: Consumo de substrato: Formação de produto: Distribuindo os dados da fase exponencial em coordenadas semilogarítmicas, tem-se:

X0i= Concentração celular no instante de início da fase exponencial Como essa fase tem a distribuição de uma reta a velocidade específica de crescimento é constante e máxima. X0i= Concentração celular no instante de início da fase exponencial Rearranjando a equação anterior: Ou, re-escrevendo de outra forma, tem-se:

Assim, pode-se obter o tempo de duplicação da biomassa, onde X=2X0i:

Fator de conversão de substrato a células X0= Concentração celular inicial X= Concentração celular no instante t S0= Concentração inicial do substrato S= Concentração residual do substrato no instante t.

Coeficiente de Manutenção 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: Coeficiente de Manutenção Velocidade específica de consumo de substrato para manutenção da viabilidade celular

Produtividade X0= Biomassa inicial; XF= Biomassa final; TF= Tempo total de cultivo.