CINÉTICA DE BIOPROCESSOS

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CINÉTICA DE BIOPROCESSOS
É a análise evolutiva dos valores de crescimento celular (biomassa), de formação de produto e de consumo de um ou mais substratos (fontes de carbono e energia) ao longo do tempo de cultivo.
· Importância prática: Trata-se de uma ferramenta fundamental para o estudo das condições de cultivo para obter os melhores fatores de conversão, determinar a duração ideal do processo (identificando quando a biomassa máxima Xm e o produto máximo Pm são atingidos) e planejar o escalonamento industrial.
1. Velocidades Específicas de Transformação
Durante o cultivo descontínuo (batelada), o número de células aumenta e, consequentemente, a concentração do complexo enzimático ativo também se eleva. Por essa variação, as velocidades de transformação em um determinado tempo devem ser calculadas em função da biomassa X, sendo denominadas velocidades específicas:
· Velocidade específica de crescimento celular
· Velocidade específica de consumo de substrato
· Velocidade específica de formação de produto
2. Classificação dos Processos Fermentativos (Classificação de Gaden)
Produção associada ao crescimento:
· Ocorre quando os perfis de µs, µp e µx apresentam comportamento semelhante.
· O produto formado está diretamente ligado às reações de catabolismo ou de decomposição do substrato para geração de energia.
· Exemplo típico: Produção de etanol (fermentação alcoolica)
Produção semi-associada ao crescimento: 
· Primeira fase: µs e µx possuem perfis semelhantes, mas ainda não se observa a geração do produto.
· Segunda fase: µs, µp e µx passam a apresentar uma boa correlação mútua.
· Ocorre porque o produto não é gerado diretamente pela via metabólica produtora de energia principal, embora dependa dela.
· Exemplo típico: Produção de ácido cítrico.
Produção não associada ao crescimento: 
· Inicialmente, µs e µx têm perfis semelhantes, mas o produto só começa a ser sintetizado quando os valores de crescimento celular sofrem uma redução significativa.
· O produto é um metabólito secundário, sem ligação com as reações de catabolismo energético primário.
· Exemplos típicos: Produção de antibióticos e micotoxinas.
3. A Curva de Crescimento Microbiano (Sistema em Batelada)
A cinética de crescimento depende de uma combinação de fatores genéticos e ambientais (composição do meio, pH, temperatura e modo de condução do bioprocesso). O crescimento microbiano pode ser quantificado por número de células ou por massa celular por mililitro (sendo a biomassa de fungos filamentosos e actinomicetos expressa obrigatoriamente por massa).
As velocidades cinéticas sofrem alterações ao longo do tempo de cultivo devido a modificações no estado fisiológico das células, pH, temperatura, consumo de substratos e surgimento de inibidores.
Fase Lag (Adaptação): 
· Fase de adaptação celular ao novo meio de cultivo, caracterizada por um baixo ou nulo aumento no número de células.
· As células realizam intensa absorção de nutrientes e síntese de enzimas necessárias para metabolizar os componentes do novo meio.
· Ocorre um aumento do volume celular individual.
· A duração desta fase depende do tamanho do inóculo (número inicial de células), do estado fisiológico de partida das células e das condições físico-químicas do ambiente.
Fase Exponencial (ou Log): 
· Fase em que o crescimento celular ocorre de forma máxima e constante, de modo que a velocidade específica de crescimento se iguala ao valor máximo (µx = µm)
· É nesta etapa que se atinge o menor tempo de geração (tg)
· O valor de µm é influenciado tanto pelas características genéticas do microrganismo quanto pelas condições do cultivo (temperatura, pH, nutrientes, aeração)
Equação diferencial de crescimento
Equação integrada de crescimento exponencial
Fase Estacionária: 
· O número de células viáveis permanece constante, indicando que a taxa de crescimento celular se igualou à taxa de morte celular.
· É desencadeada devido ao esgotamento (exaustão) de nutrientes essenciais, ao acúmulo de metabólitos tóxicos no meio e à alteração das condições do cultivo (como variações drásticas de pH).
· Devido às condições ambientais de estresse físico-químico, as bactérias esporulantes iniciam principalmente nesta fase a produção de endosporos.
Fase de Morte Celular: 
· O número total de células viáveis decresce de forma contínua, pois a taxa de morte celular supera a taxa de crescimento do microrganismo.
4. Tempo de Geração (tg)
O tempo de geração é definido como o intervalo de tempo necessário para que a concentração celular dobre de valor
As bactérias são os microrganismos que possuem os menores tempos de geração. Esse crescimento acelerado, associado a uma ampla diversidade metabólica, justifica a prevalência bacteriana em ambientes ideais para proliferação celular.
Faixas de Tempo de Geração
· Bactérias: 0,3 a 2,5 horas
· Leveduras: 1 a 4 horas
· Fungos filamentosos: 1,5 a 7 horas
· Microalgas: 18 a 35 horas
· Células animais (cultivo in vitro): 20 a 40 horas
5. Influência dos Fatores Ambientais
Efeito do Meio de Cultivo: 
Apresenta influência de ordem qualitativa e quantitativa, ligada principalmente às fontes de carbono e nitrogênio utilizadas
Ks - constante de saturação
Quando a concentração de substrato é igual à constante (S = Ks), a velocidade de crescimento atinge exatamente metade de seu potencial máximo (µ = µm/2)
Inibição pelo Substrato: Em condições onde concentrações muito elevadas do próprio substrato limitante geram efeitos inibidores no crescimento
Valores altos de Ki,S apontam que seriam necessárias concentrações excepcionalmente elevadas de substrato S para que o efeito inibidor começasse a se manifestar.
Efeito da Temperatura: 
Cada espécie celular apresenta uma temperatura ótima na qual a taxa de crescimento atinge o seu valor máximo (µm)
Esse comportamento térmico determina a classificação dos microrganismos em psicrófilos, mesófilos, termófilos e hipertermófilos.
Efeito do pH: 
A relação da velocidade de crescimento com o pH também apresenta uma faixa de ótimo bem definida, embora a forma matemática e geométrica da curva seja mais variada de acordo com o grupo celular.
6. Dificuldades Experimentais em Estudos Cinéticos
A quantificação prática dos parâmetros cinéticos pode apresentar barreiras técnicas significativas em determinados processos industriais:
· Dosagem de Crescimento Celular: Torna-se muito complexa quando o microrganismo cresce aderido a partículas ou sólidos em suspensão (em fermentações submersas), em células imobilizadas organizadas em biofilmes ou em processos conduzidos via fermentação em estado sólido.
· Dosagem de Substrato: Apresenta dificuldades metodológicas graves quando o substrato de cultivo é insolúvel, exigindo o cálculo e determinação da área de interface física para as análises cinéticas.
7. Cálculos Matemáticos de Parâmetros Cinéticos (g/L.h)
Produtividade de Biomassa (Px): Mede a quantidade de células produzida por volume e por tempo de processo
Xm - concentração máxima de biomassa
X0 - concentração inicial
Tf - tempo de duração total do cultivo
Produtividade de Produto (Pp): Mede a taxa de formação de produto acumulado ao longo do tempo de produção
Pm - concentração máxima de produto obtida
P0 - concentração inicial de produto
Tfp - tempo de duração da fase de produção
Rendimento de Biomassa por Substrato (Yx/s): Quantidade de células geradas por massa de substrato consumida
Rendimento de Produto por Biomassa (Yp/x): Quantidade de produto gerada em relação ao crescimento celular ocorrido
Rendimento de Produto por Substrato ($Y_{p/s}$): Quantidade total de produto gerada por massa de substrato consumida (fator de conversão chave em processos industriais
Eficiência (E):
Representa a porcentagem do produto obtido em relação ao rendimento estequiométrico máximo teoricamente possível de ser alcançado
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