CINÉTICA DO CRESCIMENTO MICROBIANO Prof. João Batista de Almeida e Silva Escola de Engenharia de Lorena-USP
Hidrólise Glicose 8 ATP Piruvato 6 ATP Produtos de Fermentação ( lactato, álcoois, ácidos, etc.) 30 ATP Ciclo de Krebs Respiração Anaeróbia (CO 2, SO 4 2-, NO 3- ) CO 2 O 2 Respiração Aeróbia Figura 1: Esquema simplificado de processos aeróbios e anaeróbios
Processos aeróbios: oxigênio como aceptor final de elétrons; Processos anaeróbios: Fermentativos: Utilizam produtos da degradação do substrato. Anóxicos: Utilizam compostos inorgânicos. Rendimento Energético Processos aeróbios > Processos anaeróbios
Estudo Cinético Processo obedece ao princípio de conservação da matéria AC a H boc + BO2 + DNH 4OH ECα H β Oγ Nδ + FCO2 + GH 2 O Substrato Fonte de Nitrogênio Elementos minerais: Fósforo, enxofre, cobre, cácio, etc. Síntese Manutenção
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
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 O 2, propriedades reológicas do meio de cultura, entre outros.
Processo Fermentativo Microrganismo Preparo do inóculo Nutrientes Preparo do meio Esterilização do meio Fermentador Controles Ar Esterilização do ar Recuperação do produto Produto Resíduo Tratamento de efluente 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
Concentração (g/l) Biomassa Produto Substrato Tempo de Cultivo (h) Figura 7 : Curvas de crescimento de biomassa, consumo de substrato e formação produto
Curva de crescimento Condições favoráveis ao microrganismo Figura 8: Curva típica de crescimento bacteriano
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: X = cte = Xo 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 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: dx ds μ = ; μ s = ; μ p dt dt x = dp dt Crescimento Consumo Formação Não são os melhores parâmetros para se avaliar o estado em que se encontram o sistema.
Velocidades específicas: Crescimento: μ = 1 X dx dt Consumo de substrato: μ s = 1 X ds dt Formação de produto: μ p = 1 X dp dt Distribuindo os dados da fase exponencial em coordenadas semilogarítmicas, tem-se: d ln( X ) 1 = dt X dx dt = μ
Como essa fase tem a distribuição de uma reta a velocidade específica de crescimento é constante e máxima. log X log X 0i = μ m ( t ti ) X 0i = Concentração celular no instante de início da fase exponencial Rearranjando a equação anterior: X = X 0i e μ m ( t ti) Ou, re-escrevendo de outra forma, tem-se: ln X = ln X 0 i + μ m t
Assim, pode-se obter o tempo de duplicação da biomassa, onde X=2X 0i : Tdup = ln 2 μ m
Fator de conversão de substrato a células Y X / S = X S 0 X 0 S X 0 = Concentração celular inicial X= Concentração celular no instante t S 0 = Concentração inicial do substrato S= Concentração residual do substrato no instante t.
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: Y X / S = μ μ S Coeficiente de Manutenção μ = m + S S Y μ ' X / S Velocidade específica de consumo de substrato para manutenção da viabilidade celular
Produtividade P = X F T F X 0 X 0 = Biomassa inicial; X F = Biomassa final; T F = Tempo total de cultivo.