Esterilização de Meios -...

16/04/2015

1

1

Cinética dos Processos Fermentativos

Aula 6 - Eng. Bioquímica – EEL/USP - LOT 2041 - Profa. Inês Roberto

Sumário

Importância do tema

Principais Parâmetros do Processo (Definição e Cálculo)

Velocidades instantâneas ou velocidades volumétricas de transformação;

Velocidades específicas de transformação;

Fatores de conversão e coeficientes específicos de manutenção

Eficiência do processo;

Modelos Cinéticos

Modelo de Monod

Modelo de Gaden

Considerações Finais

2

Processo Fermentativo


Transformação de um dado substrato orgânico em um produto de

interesse pela ação de micro-organismos (catalisados por enzimas).

Micro-organismos

Leveduras, bactérias ou fungos filamentosos.

Matérias-primas

Açucaradas (origem agrícola) fonte de substratos. Ex: cana de

açúcar (matérias-prima empregada na produção de etanol

combustível)

3

Processo Fermentativo – Esquema Geral

Esquema Geral de um Processo Fermentativo 4


Biorreator: elemento central em qualquer processo

fermentativo industrial;

Reações de interesse: conversão do substrato em produtos

metabólicos

Avaliação do processo: conhecimento das velocidades dessas

transformações

5

Estudo

Cinético

Estudo Cinético - Objetivos

Definir estratégias de produção visando melhorias no processo

AplicarAplicar as equações obtidas na otimização e no controle do processo.

Correlacionar por meio de equações empíricas ou modelos matemáticos, asCorrelacionar por meio de equações empíricas ou modelos matemáticos, as velocidades das transformações com os fatores que nelas influem;

EstudarEstudar a influência das condições experimentais sobre as velocidades;

Medir as velocidades das transformações (crescimento celular; consumo deMedir as velocidades das transformações (crescimento celular; consumo de substrato e formação de produto)

6

16/04/2015

2

Estudo Cinético de um Processo Fermentativo

Substrato

[S] Produtos

Micro-

organismo

Biomassa

[X]

Metabólitos

[P]

Ponto de Partida: Análise da evolução dos valores de

concentração de um ou mais componentes do sistema, em função

do tempo.

7

Estudo Cinético – Considerações Importantes

Pontos ajuste para (velocidades instantâneas

Pontos Experimentais: È necessário traçar uma curva de ajuste para o cálculo dos parâmetros do processo (velocidades instantâneas e fatores de conversão).

Volume meio pode dissolvidos, comprometendo

Volume na Fase Aquosa: Variação substancial no volume de meio pode alterar as concentrações dos materiais dissolvidos, comprometendo assim as medidas dos parâmetros cinéticos.

Determinação cinéticos somente adequadamente determinados

Determinação Analítica dos Componentes: Os dados cinéticos somente terão validade se os componentes forem adequadamente determinados.

8

Ajuste dos Dados Experimentais

Variação da concentração de glicose durante um cultivo

descontinuo

9

Parâmetros de Transformação

1. Velocidades instantâneas ou velocidades volumétricas de

transformação;

2. Velocidades específicas de transformação;

3. Fatores de conversão, coeficientes específicos de

manutenção;

10

Velocidade Volumétrica – Crescimento Celular

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

X (

g/L

)

Tempo (h)

Figura 1. Representação gráfica dos resultados

de crescimento celular (fermentação alcoólica

descontínua).

A velocidades volumétricas ou instantâneas são traduzidas pelos valores das

inclinações das tangentes as respectivas curvas.

t = 5 horas

Aplicando a equação (1) para os dados da

Figura 1, temos:

hLgdt

dX./44,0

32,6

6,24

dt

dXrX (1)

Onde, rx = velocidade volumétrica de

crescimento celular (g/L.h)

Para o crescimento celular, a velocidade

volumétrica pode ser expressa por:

11

Velocidade Volumétrica – Consumo de Substrato

Para o consumo de substrato, a velocidade


dt

dSrS (2)

Onde, rS = velocidade volumétrica de

consumo de substrato (g/L.h)

Figura 2. Representação gráfica dos resultados

de consumo de substrato (fermentação alcoólica

descontínua).

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

S (

g/L

)

Tempo (h)

t = 5 horas

hLgdt

dS./9,7

2,37

70100


Figura 1, temos:

12

16/04/2015

3

Velocidade Volumétrica – Formação de Produto

Para a formação de produto, a velocidade


dt

dPrP (3)

Onde, rP = velocidade volumétrica de

formação de produto (g/L.h)

t = 5 horas

hLgdt

dP./0,4

5,35,8

020


Figura 1, temos: Figura 3. Representação gráfica dos resultados

de formação de produto (fermentação alcoólica

descontínua).

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

5

10

15

20

25

30

35

40

P (

g/L

)

Tempo (g/L)

13

Produtividade Volumétrica

A produtividade volumétrica é um parâmetro de velocidade, cujo

interesse prático está na avaliação do desempenho do processo.

Representa a velocidade média de crescimento ou de formação

de produto referente ao tempo final de fermentação.

Pode ser expressa por QX,P (g/L.h), conforme equações (4) e (5)

f

mX

t

XXQ 0

pf

mp

t

PPQ 0

(4)

(5)

Xm e Pm = concentração máxima de

células e produto respectivamente(g/L)

Xo e Po = concentração inicial de células

e produto respectivamente(g/L)

tf e tfp = tempo final da fermentação (h)

14

Cálculo das Produtividades Volumétricas

hLgQX ./27,07

0,29,3

Aplicando as equações (4) e (5) aos dados da Figura 1 e 3, respectivamente,

teremos:

hLgQP ./0,49

036

15

Velocidades Específicas de Transformação

As velocidades específicas se referem aos valores de velocidades

instantâneas com relação à referida concentração microbiana, ou

seja, especificando-as com respeito ao valor de [X].

µX= velocidade específica de crescimento

celular (h-1)

µS = velocidade específica de consumo de

substrato (gS/gX.h)

µP = velocidade específica de formação de

produto (gS/gX.h)

dt

dX

XX

1

dt

dP

XP

1

dt

dS

XS

1

(6)

(7)

(8)

Assim, a velocidade específica de crescimento celular, de formação

de produto e de consumo de substrato podem ser expressas pelas

seguintes equações:

16

Cálculo das Velocidades Específicas de

Transformação

113,05,3

44,0 hX hg

g

X

SS

.3,2

5,3

9,7

hg

g

X

PP

.14,1

5,3

0,4

Aplicando as equações (6), (7) e (8) aos dados da Figura 1, 2 e 3, respectivamente,

teremos:

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

S (

g/L

)

Tempo (h)

hLgdt

dS./9,7

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

X (

g/L

)

Tempo (h)

hLgdt

dX./44,0

LgX /5,3

Com as curvas devidamente ajustadas, os valores de velocidades poderão ser facilmente

obtidos empregando softwares que permitam o cálculo das derivadas (No apêndice do Cap

6 do Livro Texto demonstra como calcular estes parâmetros utilizando uma planilha do

Excel)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

5

10

15

20

25

30

35

40

P (

g/L

)

Tempo (g/L)

hLgdt

dP./0,4

17

Fatores de Conversão ou Fatores de Rendimento

Rendimento de uma Reação

Em processos fermentativos, este parâmetro relaciona o fluxo

de substrato para a formação de biomassa e outros produtos

metabólicos.

É a quantidade de produtos formados ou

acumulados por reagente consumido na

reação.

18

16/04/2015

4

Fatores de Conversão (Rendimento)

YP/S

YX/S

Substrato

Biomassa

Produto

Metabólico

YP/X

19

Fator de conversão de substrato em biomassa

(YX/S)

20

SS

XX

S

XY SX

0

0/

ggconsumidosubstratodemassa

formadascélulasdemassaY SX //

X0 = quantidade inicial de células (g/L)

X = quantidade de celulas num dado instante (g/L)

S0 = quantidade de substrato inicial (g/L)

S = quantidade de substrato num dado instante (g/L)

(9)

Fator de conversão de substrato em produto

(YP/S)

21

SS

PP

S

PY SP

0

0/

ggconsumidosubstratodemassa

formadoprodutodemassaY SP //

P0 = quantidade inicial de produto (g/L)

P = quantidade de produto num dado instante (g/L)

S0 = quantidade de substrato inicial (g/L)

S = quantidade de substrato num dado instante (g/L)

(10)

Fator de conversão de produto em relação as

células formadas (YP/X)

22

SX

SPXP

Y

Y

XX

PP

X

PY

/

/

0

0/

ggformadascélulasdemassa

formadoprodutodemassaY XP //

P0 = quantidade inicial de produto (g/L)

P = quantidade de produto num dado instante (g/L)

X0 = quantidade de células inicial (g/L)

X = quantidade de células num dado instante (g/L)

(11)

Fatores de Conversão - Cálculo

ggS

XY SX /1,0

85100

0,25,3/

gg

X

PY SP /33,3

5,1

0,5/

gg

S

PY SP /33,0

85100

05/

Aplicando as equações (9), (10) e (11) aos dados da Figura 1, 2 e 3,

respectivamente, no tempo de 5 horas, teremos:

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

S (

g/L

)

Tempo (h)

LgS /85

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

X (

g/L

)

Tempo (h)

LgX /5,3

YP/S > 1

(fluxo de C direcionado para o

produto metabólico)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

5

10

15

20

25

30

35

40

P (

g/L

)

Tempo (g/L)

LgP /0,5

23

Fatores de Conversão

Se os fatores de conversão permanecem constantes durante o

cultivo, as expressões (9), (10) e (11) podem ser aplicadas no

tempo final, onde X = Xm; P = Pm e S 0

(12)

0

0/

S

XXY m

SX

0

0/

S

PPY m

SP

(13)

0

0/

XX

PPY

m

mXP

(14)

Eliminando-se a grandeza X0 pela combinação das Eq.9 e 12,

teremos:

S

XXY m

SX

/

(15) ][/ SYXX SXm (16)

S

PPY m

SP

/ (17) ][/ SYPP SPm (18)

Equação da reta

Coeficiente

angular = Y

24

16/04/2015

5


Aplicando as equações (16) e (18) aos dados da Figura 1, 2 e 3,

respectivamente, teremos:

Nestes exemplos, os valores experimentais se ajustaram muito bem

ao modelo linear.

75 80 85 90 95 100 105

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

X (

g/L

)

S (g/L)

94,0][087,076,10

2

rSX

YX/S = 0.087 g/g

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0

10

20

30

40

50

P (

g/L

)

S (g/L)

99,0

][48,06,47

2

r

SX

YP/S = 0.48g/g

25


Contudo, se os fatores de conversão não forem constantes, então

somente os valores instantâneos deverão ser considerados, ou seja:

S

X

S

XSX

r

r

dS

dXY

/

S

P

S

PSP

r

r

dS

dPY

/

S

P

S

PXP

r

r

dX

dPY

/

(19)

(20)

(21)

Fatores que afetam os

parâmetros de

conversão

Composição do meio (natureza da FC e FN)

pH e temperatura

Transferência de oxigênio

Tempo de mistura 26


27 28

Coeficiente Especifico de Manutenção (m)

Considerando que as células utilizam a energia de oxidação do substrato não

apenas para o crescimento, mas também para manutenção, ou seja um

determinado consumo de substrato (S0-S) não produzirá sempre um aumento

proporcional de biomassa (X-X0)

YP/S

Y’X/S Y’X/S

Substrato

Biomassa

Produto

Metabólico

YP/X

Manutenção

Trabalho osmótico;

Reposição de constituintes

celulares

29

Coeficiente Especifico de Manutenção

O consumo especifico de substrato para manutenção (m), pode ser

expresso por:

X

rm mS )( (22)

Onde

(rS)m = velocidade de consumo de substrato devido a manutenção (g/L.h)

m= coeficiente de manutenção (velocidade específica de consumo de substrato

devido a manutenção (gS/gX.h)

X = concentração celular (g/L)

Fazendo o balanço material para o consumo de substrato, tem-se:

mSCSS rrr )()( (24)

Onde:

rS = velocidade de consumo global de S (g/L.h)

(rS)C = velocidade de consumo de S destinado ao crescimento (g/g.h)

(rS)m = velocidade de consumo de S destinado a manutenção (g/g.h)

mXr mS )( (23)

mXrr CSS )( (25)

ou

ou

30

16/04/2015

6


Com base nestas considerações, teremos um novo fator de

conversão de substrato em células :

(26)

Onde:

= fator de conversão verdadeiro é velocidade de consumo de substrato

devido a manutenção (gS/gC.h).

Introduzindo este parâmetro na equação (25), tem-se:

mXY

rr

SX

XS

'

/

(27)

CS

XSX

r

rY

)(

'

/

'

/ SXY

Dividindo por X, obteremos as velocidades em termos específicos:

mY SX

XS

'

/

(28)

31


Analisando a equação (28), temos:

mY SX

XS

'

/

(28) Se m = 0 SXSX YY /

'

/

Os valores de manutenção pode ser obtido por regressão linear:

S

X

'

/

1

SXY

mβ

32

Valores Típicos do Coeficiente Especifico de

Manutenção

33

Para que serve o fator de conversão YP/S?

34

Referência para avaliar o comportamento de um

determinado processo e a partir dele adotar decisões.

Se o valor de YP/S estiver afastado do máximo

teórico, significa que precisamos avançar na

investigação do processo visando melhorar este

parâmetro.

Como definir o valor teórico de conversão?

Conservação do Poder Redutor ou Conservação

de Elétrons

35

Baseia-se na conservação de elétrons da reação (os elétrons

disponíveis no S são transferidos para o produto)

PS fP

YP/S

spss

pp

p Yf /.

Bailey & Ollis, 1986: propuseram uma equação para calculo do

Rendimento Máximo Possível de Substrato em Produto

(Rendimento Máximo Termodinâmico).

fp = fração de elétrons disponíveis no substrato

transferidos para produto;

σp;σs = frações de carbono no produto e substrato,

respectivamente;

p; s = graus de redução do produto e substrato,

respectivamente;

YP/S = fator de rendimento de S em P 36

spss

pp

p Yf /.

Quando todo o conteúdo energético do substrato for transferido para

o produto, a fração de elétrons (fp) será igual a 1 e o fator de

conversão (YP/S) será máximo.

pp

ssspY

(max)/

Como calcular o Grau de Redução de um

Composto Orgânico

16/04/2015

7

37

Grau de Redução de um Composto Orgânico ()

NC

NED

NED = Número de Elétrons Disponíveis

NC = Quantidade de carbono na substância

È o número de elétrons disponíveis necessários para a completa

combustão do substrato em CO2 e H2O

O número de elétrons disponíveis é calculado pela valência dos

elementos:

Carbono (+4)

Hidrogênio (+1)

Oxigênio (-2)

38

Grau de Redução de um Composto Orgânico ()

NED=(6x4) + (12x1)+[6x(-2)] = 24

NC = 6

C6H12O6 (glicose) NC

NED

46

24

4)2(2

0)3(1)3(1

0)2(1)2(1

01

)2(2)1(4

2

3

2

2

O

NH

OH

CO

39

Fração de Carbono de um Composto ()

composto

composto

MM

C de massacomposto

4,0180

72cos egli

C6H12O6 (glicose)

40

Calculo do fator de conversão máximo de glicose

em etanol aplicando o balanço de elétrons?

C6H12O6 (glicose) C2H6O (etanol)

46

24 γ glicose

4,0glicose

62

12 γ etanol

52,0etanol

ggx

xY

pp

sssp (máx) /51,0

52,06

4,04/

41 42

Exercício para consolidação dos conceitos

1) Calcular o fator de conversão máximo de xilose

(C5H10O5) em xilitol (C5H12O5) de acordo com o

conceito de rendimento máximo termodinâmico. Dados:

MM xilose = 150 g/mol; MM xilitol = 152 g/mol

2) Calcular o fator de conversão máximo de glicose

(C6H12O6) em ácido cítrico (C6H8O7) de acordo com o

conceito de rendimento máximo termodinâmico. Dados:

MM glicose = 180 g/mol; MM ácido cítrico = 192

g/mol

16/04/2015

8

Eficiência do Processo

A eficiência de um bioprocesso pode ser definida por:

100% x

Y

Y

possívelmáximoSP

observadoSP

(22)

2526126 22C COOHHCOHmáxS

PY

Ex: Equação estequiométrica para

produção de etanol

ggY máxSP /51,0180

92)/(

43

Eficiência do Processo – Cálculo

No exemplo anterior:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0

10

20

30

40

50

P (

g/L

)

S (g/L)

YP/S = 0.48g/g 100

51,0

48,0% x

ggY máxSP /51,0)/(

Glicose Etanol

%94

100% x

Y

Y

possívelmáximoSP

observadoSP

44

Estudo de Caso 1

45

Estudo de Caso 1

46

Estudo de Caso 1

47

Estudo de Caso 1

48

16/04/2015

9

Estudo de Caso 1

49

Cinética do Crescimento Microbiano

Crescimento celular (fases)

Descontínuo

(Sistema Fechado)

Produtos retirados no

final

Substrato adicionado

no inicio do cultivo

50

Curva Típica de Crescimento Microbiano

Exponencial

Aceleração

Desaceleração

Linear

Declínio

Estacionária

Lag

Curva de crescimento de micro-

organismo em cultivo descontínuo.

(A) ordenadas lineares; (B)

semilogarítmica.

51

Imediatamente após a inoculação;

Adaptação ao novo ambiente;

Intensa atividade metabólica (síntese de novas enzimas ou

componentes estruturais).

Não há reprodução celular, logo X = X0 = constante.

Duração da fase lag (concentração e idade do inóculo,

composição química do meio de cultivo).

Fase 1 (lag)

µ=0 52

Fase 1 (lag)

53

A fase LAG afeta negativamente a produtividade do

processo

Como evitar ou minimizar a fase LAG?

I. Aclimatizar o inóculo no meio de fermentação

II. Inocular as células na fase exponencial

III. Utilizar elevado nível de inóculo 54

16/04/2015

10

Início da reprodução (crescimento);

Nem todas as células estão se reproduzindo;

Aumento gradual da velocidade especifica de crescimento;

Fase 2 (Transição) – Aceleração

µ < µm

55

Elevadas concentrações de [S] e nutriente;

Todas as células estão se reproduzindo;

A velocidade específica de crescimento é constante e máxima;

Fase 3 (Logarítmica ou Exponencial)

µ = µm

Sabendo que:

A velocidade é diretamente

proporcional a X

dt

dX

X

1

dt

dX

Xm

1 X

dt

dXm (29)

56

Integrando a equação (30) entre o inicio da fase (de coordenadas ti,

Xi) e um instante arbitrário (t), tem-se:

Xdt

dXm (29) dt

X

dXm (30)

)(. im tt

i eXX

(33) )(ln im

i

ttX

X

(31) t

tim

X

Xidt

X

dX

(32)

Equação

da Reta inclinação = m

ln (

x/x

i)

(t-ti)

Como identificar

a fase

exponencial?

57

Ex: Curva de crescimento para Saccharomyces cerevisiae

Não é recomendado analisar as fases do crescimento em

coordenadas lineares (interpretação equivocada)

Devido a baixa concentração celular no inicio do cultivo, a

velocidade inicial parece ser mais lenta.

Fase lag?

58

Ainda na fase exponencial, podemos determinar o tempo de geração

(tg) de uma cultura;

Por definição, tg é o intervalo de tempo necessário para dobrar o

valor da [X].

Aplicando esta definição na equação (32), tem-se:

(34) gm

i

i tX

X.

2ln

ou

tgtgm

69,02ln (35)

µm inversamente proporcional

a tg;

Bactérias (20 min) ; leveduras

(2 horas)

Válida para micro-organismos que apresentam aumento da biomassa proporcional ao

número de células 59

Fase 4 (Linear)

A velocidade instantânea de crescimento (dX/dt) é constante;

Pode ocorrer sem prévia existência da fase log;

Limitação no transporte de nutrientes (limitação de O2)

Integrando a equação (36) entre o inicio desta fase (de coordenadas

tc, Xc) e um instante arbitrário (t), tem-se:

constante xrdt

dX(36)

60

16/04/2015

11

t

tx

X

X CC

dtrdX (37)

Resolvendo a integral, tem-se:

)( CXC ttrXX (38)

CXXC trtrXX .. (39)

ou A concentração celular (X) é

uma função linear do tempo

Aplicando a equação (39) na equação da velocidade específica de

crescimento, tem-se:

Nesta fase, (μ) decresce com o

aumento da concentração celular, e

portanto, com o tempo de cultivo. dt

dX

X

1

CXXC

X

trtrX

r

.. (40)

61 µ < µm

Fase 5 (Desaceleração)

Esgotamento de um ou mais componentes do meio de cultivo

necessários ao crescimento.

Acúmulo de metabólitos inibidores;

Diminuição das velocidades de crescimento (instantânea e

específica) até se anularem no tf.

O tempo de geração (tg) aumenta, pois nem toda população se

reproduz em intervalos regulares de tempo.

µ <µm

62

Fase 6 (Estacionária)

A concentração celular [X] atinge o valor máximo (Xm) o qual

permanece constante;

Equilíbrio entre velocidade de crescimento e velocidade de

morte;

µ = 0

63

Fase 7 (Declínio ou Lise )

Lise (rompimento)

O valor da concentração celular decresce a uma velocidade que

excede a velocidade de produção de novas células.

µ < 0

64

Modelos Cinéticos para Descrever o Crescimento

Celular

Não leva em consideração

a natureza

multicomponente da célula,

ou seja, o material celular é

representado por sua massa

ou número de célula.

Célula

65

Os modelos mais utilizados são os modelos não-

estruturados

Consideram a população celular homogênea, tanto do

ponto de vista metabólico, como estrutural.

O crescimento de uma população celular é quantificado

apenas em termos de número ou da massa de células

Baseada no modelo de Michaelis-Menten (cinética enzimática); uma vez que várias enzimas

Baseada no modelo de Michaelis-Menten (cinética enzimática); uma vez que o metabolismo celular é resultado de uma ação integrada de várias enzimas.

Para equação empíricaPara descrever a relação entre [μ] e [S]limitante foi proposta uma equação empírica (Equação de Monod);

Um único nutriente do meio pode exercer efeito dominante sobre [μ]; quando de Substrato

Um único nutriente do meio pode exercer efeito dominante sobre [μ]; quando este é a principal fonte de carbono e de energia, denomina-se de Substrato Limitante do Crescimento.

Em celular [Em cultivo descontinuo, a velocidade específica de crescimento celular [μ] é dependente da concentração de nutrientes no meio;

Modelo de Monod - Influência da Composição do Meio

sobre a Velocidade Especifica do Crescimento

66

16/04/2015

12

Onde

μ = Veloc. específica de crescimento (h-1)

μmax=Veloc. específica máxima de crescimento (h-1)

Ks = Constante de saturação (g/L)

S = concentração do substrato limitante (g/L)

(41)

Equação de Monod

SK

S

S max

No início do cultivo, onde [S] é μ μmax (micro-organismo adaptado);

No decorrer do cultivo, a medida que [S] o valor de μ (não sustenta μmax)

significa o início da fase de desaceleração);

A constante KS representa a [S] na qual μ = ½ μmax ;

A permanência do micro-organismo na região de μmax (fase exponencial)

dependerá do valor de KS;

[S]>>KS

[S]<<KS

67

O valor de μmax para um micro-organismo com elevada afinidade pelo

[S]limitante (baixo KS) não irá ser afetado até que a [S] se torna muito baixa.

Para um micro-organismo com baixa afinidade pelo [S]limitante (elevado

KS) o valor de μmax não será mantido, mesmo em concentrações

relativamente elevadas de substrato (fase de desaceleração mais longa).

Dependência de μ com o valor de KS

68

Valores típicos de KS para Micro-organismos

69 Aula 6 - Eng. Bioquímica - LOT 2041 - Profa. Ines

Roberto

Modelo de Monod

Considera apenas um único Slimitante

Não prevê a fase de adaptação (válida na fase exponencial e desaceleração);

Não considera qualquer tipo de inibição (S ou P)

Há na literatura várias propostas para explicar tais fenômenos.

70

Modelo Cinético para Formação de Produtos

Substrato

Biomassa

Produto

Metabólico

Gaden (1955): correlação cinética entre formação de

produto e crescimento celular.

Relação da síntese do produto

com o metabolismo

energético.

71

Tipos de Produtos Metabólicos

Durante a fase primaria do

crescimento celular.

Metabólito Primario Metabolito Secundário

Ao final da fase de crescimento

do (fase estacionária).

72

16/04/2015

13

Tipo 1 - Associado ao Crescimento.

Tipo 2 – Parcialmente Associado ao Crescimento

Tipo 3 – Não Associado ao Crescimento

Classificação Cinética dos Produtos

73 74

Associado Parcialmente

Associado Não- Associado

) O produto formado está diretamente ligado as reações do

catabolismo (metabolismo energético das células).

São normalmente produzidos durante a trofofase (fase

exponencial de crescimento) e referidos como produtos

metabolismo primário.

Neste tipo cinético, a velocidade específica de crescimento do

microrganismo (µX) apresenta aproximadamente o mesmo perfil

de (µS) e (µP) com o tempo.

São exemplos de produtos primários: etanol, amino-ácidos e

vitaminas (intermediários metabólicos).

Tipo 1 - Associado ao Crescimento

75

Perfil Cinético do Produto Associado ao

Crescimento (Tipo 1)

Variação das velocidades específicas em uma

fermentação alcoólica 76


Representa o caso de uma cinética mista, em que a formação do

produto não está totalmente ligada ao caminho metabólico

produtor de energia das células.

Variação das velocidades

específicas em uma fermentação

cítrica

77


Luedeking e Piret (1959): modelo cinético para a fermentação

láctica (Lactobacillus delbrueckii) em pH controlado.

XP

Xdt

dX

dt

dP (2)

(3)

µP

µX

Associado ao

crescimento

Não -Associado

ao crescimento

78

16/04/2015

14

O modelo de Luedeking e Piret pode ser útil para representação

cinética dos diferentes tipos:

mYY SX

x

SP

P '

//

mY SX

xS

'

/

(28)

Combinando a Equação (20) com a Equação (28) do balanço

material para o consumo de substrato considerando a

manutenção, temos:

S

PSPY

/ (20)

mYY

YSPx

SX

SPP /'

/

/

79

Tipo 3 – Não Associado ao Crescimento

O produto não está diretamente ligado ao metabolismo energético

das células;

São sintetizados durante a idiofase (fases de desaceleração e

estacionária do crescimento microbiano), não apresentando uma

função clara para o metabolismo celular (metabólitos secundários);

Neste tipo cinético, os perfis das velocidades (µP ; µS e µX) não

permitem estabelecer uma relação cinética bem definida;

São exemplos de produtos secundários: antibióticos e toxinas

microbianas.

80

Perfil Cinético do Produto Não-Associado ao

Crescimento (Tipo 2)

Variação das velocidades específicas em uma

fermentação penicilínica

Produção de

penicilina

Consumo de

Substrato

Crescimento

O2

81

Modelos Cinéticos

82

1. Produto Associado ao Crescimento (Tipo 1)

2. Produto Parcialmente Associado ao (Tipo 2)

3. CrescimentoProduto Não- Associado ao Crescimento

(Tipo 3)

xP

xP

P

83

µP

µX

xP

1. Produto Associado ao Crescimento (Tipo 1)

84

µP

µX

P

1. Produto Não - Associado ao Crescimento (Tipo 2)

16/04/2015

15

85

µP

µX

xP

1. Produto Parcialmente Associado ao Crescimento (Tipo 3)

A classificação de Gaden não pode ser

considerada como absoluta para um dado

produto, podendo ocorrer mudança no tipo de

formação dependendo das condições de cultivo

86

Considerações Finais

1) O estudo cinético permite a obtenção de informações

importantes sobre o desenvolvimento de um processo

fermentativo;

2) Os parâmetros fermentativos (rendimento e produtividade) são

de fundamental para avaliar o desempenho do processo;

3) As velocidades das transformações podem ser correlacionadas

por meio de equações empíricas com os fatores que nelas influem.

Ex: Monod descreve a influência da [S] sobre (µ);

4) Os comportamentos relativos de µ em função de µP fornecem a

base para uma importante classificação dos processos

fermentativos (Ex: Gaden )

87

Referências Bibliográficas

Schmidell, W.; Lima, U. A.; Aquarone, E.; Borzani, W.

Biotecnologia Industrial, volume 2 - Engenharia Bioquímica,

Editora Edgard Blücher, São Paulo, 2001;

Pauline M. Doran, Bioprocess Engineering Principles.

Copyright © 1995 Elsevier Ltd.


Roberto

Estudo Dirigido

Tempo (h) X (g/L) S (g/L) P (g/L)

0 O,91 106,9 0

4 0,91 106,9 0

8 1,61 96,8 6,2

12 2,42 83,6 15,0

16 3,59 59,9 23,5

20 4,71 31,6 34,3

24 5,51 10,6 42,2

28 5,56 7,0 42,8

Tabela1: Valores experimentais de um cultivo descontínuo de

S. cerevisiae .

89

Estudo Dirigido -

Com base nos dados experimentais, pede-se:

1) Representar os perfis relativos a [X]; [S] e [P] em função do tempo;

2) Representar as fases de crescimento do microrganismo. Foi observada

fase exponencial? Se positivo, determinar o valor de µmax e tg;

3) Determinar as velocidades volumétricas e específicas para [X]; [S] e

[P] e representar graficamente os perfis destas velocidades em função

do tempo;

4) Determinar os parâmetros do processo (fatores de conversão e

produtividades). Foi observado fluxo de [S] para manutenção?;

5) Os fatores de conversão de substrato em células e em produtos são

constantes no processo? Justifique

6) O efeito da [S] sobre µ pode ser descrito pelo modelo de Monod? Se

positivo, determine os parâmetros cinéticos.;

7) Em que tipo de classificação cinética proposta por Gaden, o produto de

enquadra? Justifique.

90

16/04/2015

16

Curvas de Ajuste dos Dados Experimentais

0 5 10 15 20 25 30

0

20

40

60

80

100

120

Concentr

ação d

e S

ubstr

ato

/

Pro

duto

(g/L

)

Tempo

1

2

3

4

5

6S

0

X0 S

f

Pm

Xm

Biomassa

Produto

Substrato

Co

nce

ntr

açã

o c

elu

lar

(g/L

)


Roberto

Esterilização de Meios -...

Documents

Transcript of Esterilização de Meios -...