Prof. Dr. João Batista de Almeida e Silva joaobatista@debiq.eel.usp.br joaobatista@pq.cnpq.br A CÉLULA
Unidade microscópica, estrutural e funcional básica b de todos os seres vivos CÉLULAS EUCARIÓTICAS Extruturas celulares limitadas por membranas: Núcleo: (genoma celular); Mitocôndrias: (sítio de sínteses s e transporte de energia); Lisossomos: (enzimas hidrolíticas ticas); Cloroplastos: (fotossínteses); FOTOSSINTÉTICOS: TICOS: captam a luz para converter CO 2 em H 2 0 e açúa çúcares (plantas) ABSORTIVOS: captam nutrientes químicos dissolvidos em solução aquosa (fungos e leveduras); INGESTIVOS: captam partículas não dissolvidas (animais) UNICELULARES: protistas ou protozoários rios (algas) CÉLULAS PROCARIÓTICAS Estruturas celulares Moneras (Bactérias)
METABOLISMO: todas as reações catalizadas enzimaticamente que ocorrem nas células c A energia obtida pela célula, c a partir de nutrientes ou luz solar é usada para: 1. Trabalho químico: biosintese de proteínas, ácidos nucleicos,, lipídeos, polissacarídeos e outros componentes celulares 2. Trabalho osmótico: transporte de substâncias nutritivas atravéz da membrana 3. Trabalho mecânico: contração e locomoção. CATABOLISMO (fase de degradação do metabolismo) Carboidratos, lipídeos, proteínas são degradadas aos produtos finais liberando energia (ATP) ANABOLISMO (fase de construção do metabolismo) Pequenas moléculas formam polissacarídeos, lipídeos e proteínas necessitando de energia (ATP)
Carboidratos Monossacarídeos (glicose, frutose, galactose, manose, ribose, xilose, arabinose) Dissacarídeos: Sacarose (glicose + frutose) Lactose (galactose + glicose) Maltose (glicose + glicose) Trissacarídeos deos: Rafinose (glicose + frutose + galactose) Maltotriose (glicose + glicose + glicose) Polímeros de alto peso molecular: Amido (amilose( + amilopectina) Amilose: : cadeia linear de glicose ligações alfa 1-41 Amilopectina: : cadeia ramificada com ligações alfa 1-41 e alfa 1-61 Celulose: polímero de glicose em ligações beta 1-41 Glicogênio: polímero de glicose com ligações alfa 1-41 4 e alfa 1-61 Pectina: polímero de ácidos galacturônico, raminose, arabinose e galactose
CARACTERÍSTICAS DO MICRORGANISMO - Apresentar alta eficiência de conversão; - Permitir elevado acúmulo de produto no meio de cultivo; - Não produzir substâncias incompatíveis com o produto; - Não ser patogênico; - Não exigir condições de cultivo muito complexas (ph, Temperatura) - Não exigir meios de cultura muito dispendioso; - Permitir liberação rápida r do produto no meio.
CARACTERÍSTICAS DO MEIO DE CULTURA - Ser o mais barato possível; - Atender as necessidades nutricionais do microrganismo; - Facilitar o controle do processo (ph, espuma); - Facilitar na recuperação do produto; - Estabilidade no armazenamento; - Não causar dificuldades no tratamento final dos efluentes.
CONHECIMENTO DA ESTEQUIOMETRIA E CINÉTICA DA REAÇÃO - Facilitam a avaliação dos rendimentos de substratos em células c e produtos; - As velocidades de consumo de substrato e de formação de produtos dependem do microrganismo e das condições de cultivo; - A forma de condução do processo é de extrema importância para atingir resultados que possam ser transferidos para a escala industrial; - Estabelecimentos de modelos matemáticos ticos com base na cinética do processo são utilizados para este escalonamento.
EQUAÇÃO DO CRESCIMENTO MICROBIANO FORMAL ELEMENTAR MÉDIAM CH CH 1,8 O 0,5 N 0,2 Considerando enxofre e fósforo: f CH CH 1,8 O 0,5 N 0,2 S 0,0045 P 0,0055 Espécie Composição Elementar Produto Escherichia coli CH 1,77 O 0,49 N 0,24 Gás e Ácidos Klebsiella aerogenes CH 1,73 O 0,43 N 0,24 Urease Candida utilis CH 1,87 O 0,56 N 0,20 Vitaminas e Aminoácidos Saccharomyces cerevisiae CH 1,70 O 0,46 N 0,17 Etanol Aspergillus niger CH 1,72 O 0,55 N 0,17 Celulases Penicillium chrysogenum CH 1,70 O 0,58 N 0,15 Penicilina
EQUAÇÃO MACROQUÍMICA MICA DO CRESCIMENTO MICROBIANO C W H X O Y N Z +ao 2 +bh g O h N i cch j O k N 1 +dco 2 +eh 2 O+fC m H p O q N r Substrato: (C W H X O Y N Z ) Ar: (ao 2 ) Nitrogênio: (bh( g O h N i ) Exemplos de Equações Macroquímicas Biomassa (cch j O k N 1 ) Gás: dco 2 Água: eh 2 O Produto: fc m H p O q N r 1. Saccharomyces cerevisiae em Glicose C 6 H 12 O 6 +3,918O 2 +0,316 NH 3 1,929CH 1,703 2. Penicillium chrysogenum em Glicose 1,703 O 0,459 N 0,171 0,171 +4,098CO 2 +4,813H 2 O C 6 H 12 O 6 +1,91O 2 +0,6 NH 4 OH 4CH 1,70 O 0,58 0,58 N 0,15 +2CO +2CO 2 +4,1H 2 O
Sendo o objetivo conhecer as relações estequiométricas, tricas, basta encontrar uma via para acertar a equação macroquímica mica Carbono: w=c+d+fm Hidrogênio: x+bg bg=cj+2e+ +2e+fp Oxigênio: y+2a+bh bh=ck+2d+e+ +2d+e+fg Nitrogênio: z+bi=cl cl+fr A composição da fonte de carbono, em principio é conhecida; A composição da média m da biomassa, também é conhecida; Portanto resultam: quatro equações seis incógnitas Como prosseguir? Quando se pretende produzir biomassa o número n de incógnitas se reduz a cinco; O quociente d/a=quociente respiratório rio é um dado experimental; Assim o sistema com quatro equações permite determinar os coeficientes estequíom ométricos a, b, c, d, e
GRAU DE REDUÇÃO: número n de moles de elétrons disponíveis por átomo grama de carbono para serem transferidos para o oxigênio Considera-se 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: (CO 2 ) Oxigênio: (H 2 O) Nitrogênio:(NH 3 ) Enxofre: H 2 SO 4 Fósforo: H 3 PO 4 O grau de redução da fonte de carbono da biomassa e do produto pode ser calculado por: y s =(4w+x-2y 2y-3z)/w y b =4+j-2k 2k-3l y p =(4m+p-2q 2q-3r)/m