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1 ���� Cinética de processos fermentativos O estudo cinético de um processo fermentativo consiste inicialmente na análise da evolução dos valores de concentração de um ou mais componentes do sistema de cultivo, em função do tempo de fermentação. Entende-se como componentes, o microrganismo (ou a biomassa), os produtos do metabolismo (ou metabólitos) e os nutrientes ou substratos que compõem o meio de cultura. Tais valores experimentais de concentração (X, P e S respectivamente), quando representados em função do tempo, permitirão os traçados das curvas de ajuste e indicados por )()(),( tSSetPPtXX === . X,P e são as concentrações do microrganismos, do produto e do substrato residual no meio Dentre os produtos formados, escolhe-se para o estudo cinético, o produto de interesse econômico. Quanto aos substratos, adota-se o denominado substrato limitante. A cinética possibilita uma comparação quantitativa entre as diferentes condições de cultivo (pH, temperatura, etc.) por intermédio de variáveis, como: as velocidades de transformação e os fatores de conversão. Afirmar que um determinado valor de pH, por exemplo, é melhor que um outro, equivale a dizer que o fator de conversão (substrato em produto, por exemplo) é maior no primeiro que no segundo caso. O mesmo pode ser afirmado quando se comparam os desempenhos de cultivos sob diferentes temperaturas, diferentes variedades de uma dada espécie de microrganismo, diferentes composições do meio, etc. 2 ���� Parâmetros de transformação Velocidades instantâneas de transformação As velocidades instantâneas de crescimento ou reprodução do microrganismo, consumo de substrato e formação de produtos podem ser representadas, respectivamente, pelas seguintes fórmulas, para um tempo t: dt dP r dt dS r dt dX r PSX =−== ;; Estas velocidades, traduzidas pelos valores das inclinações das tangentes às respectivas curvas (ilustradas no gráfico), são também conhecidas como velocidades volumétricas de transformação, cujas unidades correspondem a g/L.h. Velocidades específicas de transformação Devido ao fato de que a concentração microbiana X aumenta durante um cultivo descontínuo, aumentando consequentemente a concentração do complexo enzimático responsável pela transformação do substrato S no produto P, é mais lógico analisar os valores das velocidades instantâneas com relação à referida concentração microbiana, ou seja, especificando-as com respeito ao valor de X em um dado instante, conforme as expressões: dt dP xdt dS xdt dX x PSX ⋅= −⋅=⋅= 1 ; 1 ; 1 µµµ Sendo denominadas velocidades específicas de crescimento, consumo de substrato e formação de produto. Coeficientes de rendimento e coeficientes de manutenção Considerando um determinado tempo t de fermentação, os correspondentes valores de X, S e P podem ser relacionados entre si, através dos fatores de conversão definidos por: SS PP Y PP XX Y SS XX Y O O SP O O PX O O SX − − = − − = − − = /// ;; Em fermentações industriais, dificilmente são observados valores constantes desses fatores de conversão. Embora dependam da espécie do microrganismo, com relação a um determinado substrato, não dependem somente da natureza deste; os demais componentes do meio também exercem influência sobre tais conversões, bem como o tempo de mistura e a transferência de oxigênio do sistema de agitação do biorreator. Deste modo somente seus valores instantâneos deverão ser levados em conta, ou seja: 3 dS dP Y dP dX Y dS dX Y SPPXSX ==−= /// ;; Considerando as definições de velocidades e velocidades específicas, resultam nas seguintes relações: S P S P SP P X P X PX S X S X SX r r Y r r Y r r Y µ µ µ µ µ µ ====== /// ;; Ainda, dessas expressões obtem-se que: SPPXSX YYY /// ⋅= É importante considerar o fenômeno em que os microrganismos utilizam energia de oxidação do substrato, não somente para o crescimento, mas também para finalidade de manutenção das funções vitais, ou seja, um determinado consumo de substrato (S0 – S), não produzirá sempre um aumento proporcional na biomassa (X – X0). Funções como trabalho osmótico e mobilidade celular. ���� Cálculo das velocidades Para o cálculo das velocidades e velocidades específicas de transformação é necessário a construção das curvas a partir de dados experimentais. Para um grande número de casos os perfis das curvas são característicos, ou seja, as curvas de formação do microrganismo (X=X(t)) e do produto (P=P(t)) exibem forma “S” sigmoidal crescente, enquanto a do substrato residual no meio (S=S(t)) se caracteriza pelo perfil em “S” decrescente. Os instantes em que P e X são máximos poderão não coincidir. 4 Para t = 5 horas, a velocidade de consumo é calculada pela inclinação da reta tangente à curva S = S(t). De modo semelhante calculam-se os valores de P e X, no tempo t. Por outro lado, para t = 5 horas tem-se que X = 3,5 g/L, assim os valores das velocidades específicas de consumo de açúcar, produção de etanol e crescimento da levedura, no instante t = 5, serão: Esses cálculos aplicados em cada instante de fermentação permitem determinar as formas das funções , que fornecem a base para uma importante classificação dos processos fermentativos. Figura - Variação de velocidades específicas em uma fermentação alcoólica - caso 1: as velocidades específicas de consumo de açúcar e a produção de etanol apresentam perfis semelhantes, correlacionando-se muito bem. A velocidade específica de crescimento do 5 microrganismo apresenta, aproximadamente, o andamento das outras curvas. Diz-se então que a formação de produto (o metabólito primário) está associada ao crescimento. A produção de certas vitaminas e aminoácidos também se enquadram nesse tipo de cinética de fermentação. Figura - Variação de velocidades específicas em uma fermentação cítrica - caso 2: observam-se duas fases distintas: uma fase, onde a velocidade específica de consumo do açúcar está diretamente relacionada à de crescimento do microrganismo, não havendo praticamente formação de produto (ácido cítrico); uma segunda fase, em que há uma boa semelhança entre os três perfis. Esse é o caso conhecido como formação do produto parcialmente associada ao crescimento; sua formação não está diretamente ligada ao caminho metabólico produtor de energia. A produção de ácido lático também está incluída neste grupo. Figura - Variação de velocidades específicas em uma fermentação penicilínica. Curva 1 – produção de antibiótico; curva 2 – consumo de açúcar; curva 3 – consumo de oxigênio; curva 4 – crescimento de microrganismo 6 - caso 3: enquadram-se as fermentações complexas, como é o caso da produção de penicilina. A máxima velocidade específica de produção do antibiótico ocorre quando as demais velocidades específicas sofreram uma redução significativa. No começo da fermentação predominam transformações produtoras de energia com formação de biomassa, sendo que o antibiótico é formado quando o metabolismo oxidativo se encontra atenuado. Não existe uma associação clara entre as referidas velocidades que permita estabelecer alguma relação cinética definida. O produto formado é denominado como metabólito secundário. As toxinas microbianas também pertencem a este grupo.
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