Resumo biotecnologia CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS

Prévia do material em texto

CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS
	Objetivos da cinética
_ Estudo da evolução no tempo das variáveis do processo;
_ Medir velocidade (taxas) das transformações;
_ Estudar a influência das condições ambientais;
_ Critérios para o controle;
_ Otimização do processo;
_ Projeto do biorreator mais adequado (dimensionamento).
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 X = X(t),P = P(t) e S = S(t).
Figura 1 - Curvas de ajuste dos resultados de uma experiência idealizada de fermentação. X, P e S são as concentrações do microrganismo, do produto e do substrato residual no meio, respectivamente.
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.
Parâmetros 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: 
As velocidades podem ser calculadas pelas inclinações (coeficientes angulares das tangentes) das retas. Conhecidas como velocidades volumétricas (unidades: concentração/tempo. Ex: mg/L.min). 
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: 
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: 
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:
 Fator de conversão de substrato em célula (mgX/mgS), produto em célula (mgX/mgP) e substrato em produto (mgP/mgS), respectivamente. 
Considerando as definições de velocidades e velocidades específicas, resultam nas seguintes relações:
E ainda dessas expressões se obtém:
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.
Se tais fatores permanecerem constantes durante ó cultivo, o que não ocorre com freqüência, as três expressões anteriores podem ser aplicadas também no tempo final de fermentação, onde X = Xm e P = Pm, resultando em:
 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.
Exemplo:
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. 
A curva de crescimento microbiano
Fase Lag (fase de adpatção) = período que ocorre pouca ausência de divisão celular. Durante esse tempo, as células se encontram em um estado de latência. Esta população está passando por um período de intensa atividade metabólica, principalmente síntese de enzimas e de moléculas variadas. Está se adaptando ao ambiente.
Fase de transição (2) = início do processo de divisão entrando no período de crescimento. Há um aumento gradual, tanto da velocidade de reprodução (eq. 6.1) como da velocidade específica de crescimento. 
Fase Log (fase exponencial – 3) = reprodução celular encontra-se extremamente ativa, período de maior atividade metabólica da célula. Velocidade específica de crescimento (μx =μm) é constante e máxima. Nessas circunstâncias, conclui-se que a velocidade de crescimento é diretamente proporcional à concentração X, isto é:
Integrando, tem-se:
Ao lado da velocidade específica μm, a fase exponencial também é caracterizada frequentemente pelo tempo de geração tg, que é o intervalo de tempo necessário para dobrar o valor da concentração celular. Com isso, tem-se:
Da última equação, conclui-se que o tempo de geração é constante, pelo fato de μm ser constante nesta fase. Para certas bactérias o tempo de geração é relativamente curto, como no caso da Escherichia coli, que pode apresentar um valor da ordem de 20 minutos na temperatura de cultivo em 37°C. Outras bactérias, do tipo termófilas, cultivadas a 55°C, chegam a apresentar um tempo de geração de cerca de 15 minutos. Para as leveduras, o valor mínimo está compreendido entre 1,5 e 2 horas.
Fase 4 - Conhecida como fase linear de crescimento, por apresentar a velocidade de reprodução constante. Concentração celular X é uma função linear do tempo de cultivo t:
De acordo com essa equação, a velocidade específica decresce com o aumento da concentração celular e, portanto, com o tempo t de cultivo. 
Fase 5 - Desaceleração. Devido ao esgotamento de um ou mais componentes do meio de cultura, necessários ao crescimento e, também, devido ao acúmulo de metabólitos inibidores, ambas as velocidades (de crescimento, e específica) diminuem até se anularem, no tempo tf.
Fase Estacionária (6) = velocidade de crescimento diminui, o número de morte celular é equivalente ao número de células novas, e a população se torna estável. A atividade metabólica de cada célula também decresce nesse estágio, há pouco nutrientee acúmulos de produtos de degradação.
Fase de Declínio (7) = fase de morte celular, pois o número de células mortas excede o de células novas. Essa fase continua até que a população tenha diminuído para uma pequena fração do número de células da fase anterior, ou até que tenha desaparecido totalmente. Não Há nutriente. Ocorre, durante o declínio, uma "lise" celular, autólise ou rompimento dos microrganismos, provocado pela ação de enzimas intracelulares.
Classificação dos processos fermentativos
- 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 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
- 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.