CINETICA MICROBIANA_conceitos

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O controle dos caminhos metabólicos de um microorganismo pode gerar diferentes produtos
 regulando o ambiente e as características nutricionais do meio. 
Exemplo:
Saccharomyces cerevisae---> condições anaeróbias produz etanol
----> condições aeróbicas produz fermento (crescimento celular)
Para concentrações muito altas de glicose, observa-se produção de etanol mesmo em aero-
biose. 
Dois conceitos são importantes na discussão de cinética microbiana:
---> Catabolismo: degradação de um composto em moléculas menores ( glicose - CO2 e 
H2O). Produz energia para as células. 
--> Anabolismo: produz compostos mais complexos e requer energia (glicose para glicogênio). 
Para microorganismos o "crescimento" é a resposta mais essencial ao ambiente fisico-químico
que está presente. Diferentes condições físico, químicas e nutricionais podem fazer que tais orga-
nismos extraiam nutrientes do meio e gerem compostos biológicos. Parte dos nutrientes são 
transformados em energia e a outra para biosíntese e formação de produto. 
Como resultado da utilização de nutrientes, massa microbiana aumenta com o tempo e pode-
mos descrever tal acontecimento pela seguinte equação: 
substrato + células ---> produtos extracelulares + mais células 
Organismo celular: com o crescimento há o aumento de biomassa e consequentemente o 
número de células (crescimento populacional). 
Fungo: o crescimento, com o aumento de biomassa não está associado ao aumento de número
de organismos. Há o crescimento de micélios, há o aumento de densidade, mas não necessaria-
mente em número. 
- As taxas (ou velocidades) destes processos variam à medida que o crescimento ocorre. 
- O papel do Engenheiro (Bio)químico é encontrar condições operacionais que garantam 
máxima taxa de produção de um metabólito desejável ( implicando também em menor custo, 
menor consumo de reagentes, etc.). Modelagem matemática é feita para predizer possíveis 
variações. 
Considerando uma populao de células em crescimento: 
2 sistemas interagindo------> Fase biológica (população de células). 
-----> Ambiental (meio de cultura ou crescimento). 
Reações ocorrem em série e em paralelo modificando o meio extracelular. 
Células geram calor e modificam a temperatura do meio. 
Durante as reações microbianas ocorrem mudanças com o tempo: reológicas, de temperatura, 
pH e força iônica. Variaçoes podem afetar significativamente a cinética celular. 
Ambiente celular: multifásico (bolhas de gás dispersas, sistemas líquidos imiscíveis). Os 
líquidos podem não ser newtonianos. 
Fluidos newtonianos: tensão de cisalhamento aplicada é diretamente proporcional à taxa de 
deformação sofrida por um elemento fluido. 
População celular: cada uma única célula é um sistema multicomponente e não é homogênea 
espacialmente. Várias reações ocorrem dependendo do controle celular interno - capacidade 
adaptativa. 
Culturas antigas: podem ocorrer mutações. 
Heterogeneidade celular: células novas, velhas e mutantes podem apresentar diferentes ativida-
des específicas. 
Interações mecânicas: ocorrem através de pressão hidrostática, efeitos de fluxo do meio para 
as células e de mudanças na viscosidade do meio em função do acúmulo de células e produtos
metabólicos. 
Como formular um modelo cinético com todas as variações?
- Modelos não segregados: população celular é homogênea (células apresentam o mesmo 
comportamento). 
- Modelos segregados: a população celular é heterogênea (apresentam distribuição de idade, 
tamanho e propriedades celulares). 
Estratégias de formulação do estudo da cinética microbiana:
Meio ambiente (caldo de fermentação): substrato limitante é o único considerado na análise de 
comportamento cinética. Demais nutrientes devem estar em excesso. 
Assumir que demais variações não alteram significativamente a cinética microbiana. 
População celular: conceito de aproximação de célula média. 
Inicialmente assume-se um modelo não-estruturado e não segregado. 
A reação microbiana é um bom exemplo de reação autocatalítica: taxa de crescimento está 
diretamente relacionada com a concentração de células, que depende da reprodução celular. 
A taxa de reação pode ser representada por: 
t = tempo
X= concentração mássica de células (exemplo: g/L)
= taxa específica de crescimento (tempo-1) 
* Padrão de crescimento e cinética em uma cultura de células em sistema batelada. 
Se inocularmos células viáveis em um sistema fechado (exceto com O2, para microorganismos 
aeróbios) contendo todos os nutrientes necessários oque irá acontecer?
Se analisarmos o gráfico de 1 temos tempo (eixo x) e concentração de células (eixo y), não 
conseguiremos identificar todas as fases de crescimento. É por isso que construimos um gráfico
(figura 2) de tempo e ln ou log de concentração celular. Esse gráfico facilita a identificação das fa-
ses de crescimento celular. 
* Discussão geral das fases de crescimento:
1) Fase lag - ocorre após a inoculação. Taxa de crescimento é praticamente zero. 
2) Fase de acelaração: início da reprodução microbiana. 
3) Fase de crescimento exponencial (log) - Nesta etapa a taxa específica de crescimento é:
Nas condições X=X em t=0. Considerando constante e integrando:
rx= taxa volumétrica de produção de biomassa (kg/m . s)
= taxa específica (tempo )
X = concentração de células no tempo t. 
X0 = concentração de células no t0. 
Essa equação só é válida quando é constante. A taxa de crescimento é independente da 
concentração de nutrientes - nessa fase há excesso de nutrientes. 
Além disso, nesta fase é possível calcular o tempo de duplicação (td) da Biomassa 
X=2X então:
Para bactérias como a , o td pode ser de 20 minutos na tempera-
tura de 37 C. Para leveduras, o valor mínimo está entre 1,5 e 2 horas. 
O substrato limitante normalmente é a fonte de carbono ou nitrogênio. 
Durante a fase de crescimento balanceado a relação entre a taxa específica de crescimento
e a concentração de substrato limitante S é:
Esse modelo foi estabelecido por Monod e é similar ao modelo de Michaelis-Menten. 
Ks= constante de saturação. 
S = concentração de substrato limitante. 
max = taxa máxima de crescimento (tempo ).
Ks = mesma unidade de S. Ks= [S] que 
O substrato limitante é o composto que mais influencia o crescimento celular, geralmente 
fonte de carbono ou nitrogênio. 
Fase de desacelaração: ocorre diminuição da concentração de nutrientes e começa a ocorrer
acúmulo de subprodutos (algumas vezes tóxicos).
Fase estacionária: Nesta fase não há crescimento, ou a taxade crescimento é igual a taxa de 
morte celular. As células continuam metabolizando nutrientes. São produzidos os metabólitos 
secundários relacionados a manutenção da célula. 
Na fase estacionária:
->Concentração mássica de células pode se tornar constante, mas o número de células 
viáveis pode diminuir.
 ->Células que morrem podem ser usadas e este material podem servir de nutriente para
outras crescerem. 
->Células podem não crescer, mas podem estar com o metabolismo ativo. 
Quando há morte celular:
Fase de declínio ou morte: com o acúmulo de produtos tóxicos a morte celular começa a 
prevalecer. As células não morrem todas de uma só vez. A desativação da cultura ocorre dentro
de um período de tempo. É possível recuperar a cultura celular se esta for transferida para um 
meio rico em nutrientes. 
A cinética de desativação é um processo de primeira ordem.