Post on 20-Jan-2016
NUTRIENTE + MICRORGANISMO PRODUTO + MICRORGANISMO (inicial) (final)
Componentes do
processo fermentativo
Micro-organismo (X)
nutrientes (substratos) (S)
produtos (P)
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS
FERMENTATIVOS
Þ QUANTO A PRESENÇA DE OXIGÊNIO:
- aeróbio
- anaeróbio
QUANTO AO SUPRIMENTO DE OXIGÊNIO:
- aerado
- não aerado
OBS:
- aerado só pode ser aeróbio
- anaeróbio e aerado: impossível (efeito pasteur...)
- não aerados podem ser aeróbios e anaeróbios
- aeróbio e não aerado: placa de petri , FES
Þ QUANTO AO MODO DE CULTIVO:
- submerso
- semi-sólido: matriz sólida insolúvel, não há
separação da matriz do meio líquido.
QUANTO A MANEIRA DE CONDUÇÃO DO
PROCESSO:
1) descontínuo, batelada, “batch”
2) contínuo
3) semi-contínuo
1) descontínuo, batelada, “batch”:
a maioria das indústrias usa este processo
Batelada simples: é colocado todo o meio e
após a fermentação é retirado todo o meio
fermentado
Batelada alimentada: é colocado meio não
fermentado no fermentador durante o processo.
A vantagem é que reduz a quantidade de
inóculo.
2) contínuo:
Vantagens:
- uniformidade do processo
- operação nas condições ótimas
- redução de custos
- redução de tempo, aumento produtividade
- redução de capacidade instalada
- facilidade de controle do processo
- “redução de mão de obra”
Desvantagens:
- manutenção da assepsia
- mutação
3) semi-contínuo:
Alimentações intermitentes
Retirada de produto ao longo da fermentação,
adicionado substrato, quando a concentração de
produto ou célula chegar a uma determinada
concentração.
QUANTO A FORMAÇÃO DE PRODUTO:
1) associado ao crescimento
2) parcialmente associado ao crescimento
3) não associado ao crescimento
FORNECEM O TEMPO IDEAL DE FERMENTAÇÃO
1) Produtos associados ao crescimento: as taxas
específicas de formação do produto e de crescimento
celular são proporcionais.
Metabólitos primários, enzimas constitutivas,
etanol, algumas vitaminas,
aminoácidos, etc.
2) Formação de produto parcialmente associado ao
crescimento: sua formação não está diretamente ligada
ao caminho metabólico produtor de energia.
Ex: Produção de ácido lático, cítrico, etc.
3) Formação de produto não associado ao crescimento:
não há uma associação clara entre as velocidades que
permita estabelecer uma relação.
Produção de penicilina, outros
antibióticos, toxinas microbianas, etc.
1 – Produção de antibiótico; 2- consumo de açúcar;
3 – consumo de oxigênio; 4 – crescimento do MO
ESTUDO CINÉTICO DE UM PROCESSO FERMENTATIVO
Análise da Evolução dos Perfis de Concentração dos Componentes do Sistema de Cultivo em função do Tempo de Fermentação
s
s
X
X
P
P
tempo
conce
ntr
açã
o
QUAIS SÃO AS SUBSTÂNCIAS QUE DEVEM SER
ESCOLHIDAS PARA O ESTUDO CINÉTICO?
- PRODUTO DE INTERESSE ECONÔMICO
- SUBSTRATO LIMITANTE
O QUE É SUBSTRATO LIMITANTE?
É aquele que limita a formação de biomassa ou
produto, em outras palavras é o substrato cuja
concentração inicial (So) que definirá a concentração
máxima (Xm) da população microbiana.
COMO OBTÉM-SE OS DADOS PARA FAZERMOS O
ESTUDO CINÉTICO DO PROCESSO FERMENTATIVO?
1) Escolher as variáveis
2) Escolher os métodos de medida
3) Inocular o meio e conservar o sistema em
condições favoráveis
4) Retirar as amostras periodicamente e
determinar as concentrações de S, P e X.
DIFICULDADES:
- Identificar o substrato limitante
- Verificar quais compostos devem ser monitorados
- Estabelecer técnicas confiáveis de determinação
das concentrações de células, nutrientes e produtos
S
S1
S2
X
X
tempo
Diauxia
Múltiplas lag-fases, devido a existência de múltiplas fontes de carbono;
Mudança nas vias
metabólicas para se
adaptar ao novo S;
A fonte de carbono de mais fácil utilização (S1) reprime a síntese de enzimas requeridas para o metabolismo da fonte (S2).
http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/GrowPresent/diauxie.htm
CURVA TÍPICA DE CRESCIMENTO CELULAR EM BATELADA
1: fase de latência ou lag2: fase de transição3: fase log ou exponencial
4: fase linear de crescimento5: desaceleração6: fase estacionária7: fase de declínio ou lise
Fase lag:
- Rearranjo do sistema enzimático (síntese de enzimas)
- Não há variação da concentração de biomassa no
tempo, portanto:
Fatores que afetam a duração da fase: baixa
concentração de nutrientes; inóculo com concentração
celular reduzida (normalmente 5 a 10%); meio de cultura
(meio do inóculo deve ser o mais próximo possível do
meio usado na fermentação); inóculo com idade
avançada.
constante XoX
Fase log ou exponencial
- Células plenamente adaptadas;
- Velocidades de crescimento elevadas;
- Massa celular e o número de células aumentam exponencialmente com o tempo;
- Consumo de substrato;
- Formação de metabólitos primários
Fase intermediária:
-Aumento gradativo da concentração celular
Fase estacionária
- Término do substrato limitante;
- Acúmulo de produtos tóxicos;
- Concentração celular constante em seu valor máximo
Fase de redução de velocidade:
- Estresse induzido pela exaustão de um nutriente ou pelo acúmulo de resíduos
Fase declínio ou morte celular
- Ocorre devido à diminuição da concentração de
nutrientes e do acúmulo de produtos tóxicos;
VELOCIDADES INSTANTÂNEAS
dtdS
dtdX
dtdP
S P
X
t
X
Tempo
Con
centraç
ão
Crescimento celular:
Consumo de substrato:
Formação de produto:
dtdX
rx
dtdS
rs
dtdP
rP
VELOCIDADES ESPECÍFICAS
As velocidades específicas são usadas pois a concentração celular pode sofrer variação considerável em um pequeno intervalo de tempo.
Crescimento celular:
Consumo de substrato:
Formação de produto:
dtdX
x X1
dtdS
S X1
dtdP
P X1
Qual a diferença entre a fase log e a fase linear de crescimento?
Na fase log a velocidade específica de crescimento celular é constante, podemos determinar graficamente.
s
s
X
X
P
P
[ ]
tempo
Integrando:
LnX = maxt + LnXo
m = constante = mmax
dtd
maxXX
constante
dt
dX
X
Y = a . x + b
tempoLn
X
máx
Tempo de duplicação celular na fase Log
dtXdX
max
tot
XX
Ln max0
0
2
Tempo de geração=tg
max
693,0
gtgtXX
Ln max0
0
2
Na fase linear de crescimento a velocidade de crescimento celular é constante.
constante dt
dXXr
dtr dx X
Xf = X0 + rX (tf – t0)
FATORES DE CONVERSÃO, FATORES DE RENDIMENTO OU COEFICIENTES DE
RENDIMENTO Relacionam o X, P e S para um determinado tempo de fermentação. Variam de acordo com a fase do cultivo celular e são definidos com base no consumo de um material:
Rendimento de célula por nutriente:
Rendimento de célula por produto:
Rendimento do produto por nutriente:
SSX - X
SX
Y0
0X/S
0
0X/P PP
X - XPX
Y
SSP - P
SP
Y0
0P/S
PRODUTIVIDADE
Taxa na qual o produto ou a biomassa é formada.
F
0Ft
XXP
X0= Biomassa inicial;
XF= Biomassa final;
TF= Tempo total de cultivo.
F
0Ft
PPP
P0= Produto inicial = 0;
PF= Produto final;
TF= Tempo total de cultivo.
Exemplo: Dados os resultados obtidos em um processo fermentativo calcule os valores de YX/S, YP/S, YX/P,
produtividade em célula, em produto, rS, rp, rx, S, P, X.
tempo(h) X(g/L) S(g/L) P(g/L) tempo(h) X(g/L) S(g/L) P(g/L)0 0,89 106,90 0,00 15 3,31 65,70 21,801 0,89 106,90 0,00 16 3,600 59,20 24,402 0,89 106,90 0,00 17 3,89 52,50 27,003 0,91 106,30 0,04 18 4,18 45,70 29,604 0,97 105,60 0,68 19 4,45 38,90 32,105 1,07 104,60 1,59 20 4,71 32,20 34,406 1,19 103,10 2,76 21 4,95 25,90 36,607 1,35 101,10 4,17 22 5,17 20,00 38,608 1,52 98,60 5,80 23 5,35 14,80 40,309 1,73 95,60 7,65 24 5,49 10,50 41,70
10 1,95 91,90 9,68 25 5,57 7,40 42,7011 2,20 87,70 11,90 26 5,57 7,00 42,8012 2,46 82,90 14,20 27 5,57 7,00 42,8013 2,73 77,60 16,70 28 5,57 7,00 42,8014 3,01 71,90 19,20
0
1
2
3
4
5
6
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28Tempo (h)
X (g/L)
0
20
40
60
80
100
120
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28Tempo (h)
S (g/L)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28Tempo (h)
P (g/L)
g/g 0,43
7106,9
0,042,8
S0
S
0P - P
S
P
P/SY
g/g 11,0
0,08,42
89,057,5
0PP
0X - X
P
X
X/PY
g/g 0,0487106,90,895,57
S0
S
0X - X
S
X
X/SY