PROCESSOS fermentativos

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PROCESSOS FERMENTATIVOSPROCESSOS FERMENTATIVOS
METABOLISMO MICROBIANO
� Soma de todas as reações químicas que ocorrem 
no interior da célula
� Catabolismo
Anabolismo� Anabolismo
� Reações enzimáticas celulares divididas em:
� Reações degradativas: Transformam glicose do meio de cultura em 
compostos orgânicos e fundamentais (metabólitos-chaves para o 
anabolismo)
� Ex: C6H12O6 + O2 � CO2 + H2O, libera 686Kcal/mol
Reações de biossintese de precursores
• Aminoácidos: precursores de proteínas
• Nucleotídeos: precursores de ácidos nucleicos 
METABOLISMO MICROBIANO
� Nestas reações estão incluídas síntese de vitaminas, coenzimas e cofatores 
(que não são precursores, mas são necessários para o funcionamento 
adequado das enzimas)
Reações de biossintese macromoléculas
� Reações responsáveis pela produção de macromoléculas 
características de cada célula.
� Estas reações são reguladas pelo DNA 
Crescimento Microbiano
� Aumento do material celular em termos de massa ou número de 
célula=> resultado de uma série de reações catalizadas 
enzimaticamente.
� Depende do transporte de nutrientes necessários para a superfície 
METABOLISMO MICROBIANO
� Depende do transporte de nutrientes necessários para a superfície 
das células (transferência de massa) e de outros parâmetros, tais 
como manutenção de temperatura e pH.
Fases do crescimento
� Fase lag: fase de adaptação
� Microrganismos velhos ou meio de cultura novo
METABOLISMO MICROBIANO
� Fase de crescimento exponencial
� Microrganismo está na plenitude de sua capacidade e o 
suprimento de nutrientes é superior às necessidades do 
mesmo
� Ainda não se acumularam substâncias tóxicas
O aumento do número de células se faz segundo uma � O aumento do número de células se faz segundo uma 
progressão geométrica
� Para microrganismos que fazem divisão binária:
N = No . 2n
Em que, 
N = número de células no final de n divisões ou gerações
No = número inicial de células
� Pode-se calcular a velocidade específica de crescimento (µµµµ) 
para cada microrganismo em cada situação
� Fase estacionária: número de células novas é igual ao 
número de células que morrem
• Pode se dar devido ao acúmulo de metabólitos 
tóxicos, esgotamento de nutrientes e O (para aeróbios)
METABOLISMO MICROBIANO
tóxicos, esgotamento de nutrientes e O2 (para aeróbios)
� Fase de declínio: número de células que morrem é 
maior do que as que surgem.
METABOLISMO MICROBIANO
Metabólito primário:
forma-se durante a 
primeira fase do 
desenvolvimento do 
microrganismo
METABOLISMO MICROBIANO
microrganismo
� Ex: fermentação 
alcoólica
Metabólito secundário:
forma-se na fase final de 
crescimento ou na fase 
estacionária
� Ex: biossurfactante
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
� Análise da evolução dos valores de um ou mais componentes do
sistema de cultivo, em função do tempo
� Permite aumento de escala� Permite aumento de escala
� Análise comparativa entre diferentes condições de cultivo =>
otimização do processo
Sem obtenção de valores intermediários não há estudo cinético
� COMPONENTES DO PROCESSO FERMENTATIVO
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
•Microrganismos X•Microrganismos 
•Produtos do metabolismo
•Nutrientes
X
P
S
X, P e S => quando representados em função do 
tempo, permitem traçar as curvas de ajuste 
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
Curva de ajuste de um experimento idealizado de fermentação
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
� Velocidade de Crescimento 
Microbiano:
� rx=dX/dt
Velocidades instantâneas de transformação
� rx=dX/dt
� Velocidade de Consumo de 
Substrato
� rs= - dS/dt
� Velocidade de Formação de 
Produto
� rp=dP/dt
� Velocidade Específica de Crescimento Microbiano:
µµµµx = 1/X.dX/dt
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
Velocidades específicas de transformação
� µµµµx = 1/X.dX/dt
� Velocidade Específica de Consumo de Substrato
� µµµµs = 1/X.(-dS/dt)
� Velocidade Específica de Formação de Produto
� µµµµp =1/X.dP/dt
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
Fator de conversão de Substrato em Biomassa
� YX/S = dX/dS => YX/S = (X-X0)/(S0-S)
Fator de conversão de Substrato em ProdutoFator de conversão de Substrato em Produto
� YP/S = dP/dS => (P-P0) /(S-S0)
Fator de conversão de Biomassa em Produto
� Yp/x = dP/dX => (P-P0)/ (X0-X) = (massa produto-g)/( biomassa celular (g))
� Produtividade em biomassa:produção média (células ou
produto) referente ao tempo total ou final da fermentação
� Px = dX/tf => Px= (Xm –X0)/ tf
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
� Produtividade de produto
Pp= dP/tf => Pp = (Pm – P0)/tf
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
 NaNO3 Concentration - 5,0 g/L
2
4
6
8
P
r
o
t
e
i
n
 
(
g
/
L
)
2
4
6
8
R
h
a
m
n
o
l
i
p
i
d
s
 
(
g
/
L
)
Protein (g/L)
RL (g/L)
BNaNO3 Concentration - 4 g/L
2
4
6
8
P
r
o
t
e
i
n
 
(
g
/
L
)
2
4
6
8
R
h
a
m
n
o
l
i
p
i
d
s
 
(
g
/
L
)
Protein (g/L)
RL (g/L)
A
0
2
0 20 40 60 80
Time (h)
P
r
o
t
e
i
n
 
(
g
/
L
)
0
2
R
h
a
m
n
o
l
i
p
i
d
s
 
NaNO3 Concentration - 6 g/L
0
2
4
6
8
0 20 40 60 80Time (h)
P
r
o
t
e
i
n
 
(
g
/
L
)
0
1
2
3
4
5
R
h
a
m
n
o
i
p
i
d
s
 
(
g
/
L
)
Protein (g/L)
RL (g/L)
C NaNO3 Concentration - 7 g/L
0
2
4
6
8
0 20 40 60 80
Time (g/L)
p
r
o
t
e
i
n
 
(
g
/
L
)
0
2
4
6
8
R
h
a
m
n
o
l
i
p
i
d
s
 
(
g
/
L
)
Protein (g/L)
RL (g/L)
D
0
2
0 24 48 72
Time (h)
P
r
o
t
e
i
n
 
(
g
/
L
)
0
2
R
h
a
m
n
o
l
i
p
i
d
s
 
� CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS
� Formação de produto diretamente relacionada ao 
crescimento => formação de metabólitos primários (aa, 
alcool, nucleoideos)
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
� CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS
� Formação de produto parcialmente associado ao 
crescimento=> formação de metabólitos secundarios
(antibioticos, micotoxinas, biosurfactantes)
NUTRIENTE LIMITANTE
� A disponibilidade do nutriente tem influência determinante na taxa 
específica de crescimento;
� Se o nutriente está presente em concentrações que limitam o 
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
� Se o nutriente está presente em concentrações que limitam o 
crescimento das células, denomina-se nutriente limitante do 
crescimento.
� Quando o nutriente limitante é a principal fonte de carbono e de 
energia, denomina-se substrato limitante do crescimento.
� A maior parte das fermentações são dimensionadas de forma a que no 
final da fermentação temos a fonte de carbono como nutriente 
limitante.
� Podemos ter, contudo, o nitrogênio e/ou o oxigênio como nutrientes 
limitantes.
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
EQUAÇÃO DE MONOD
� Proposta para descrever o efeito do crescimento limitante em função 
da tx especifica de crescimento
� O crescimento da biomassa é dependente da disponibilidade do 
nutriente.
� Quando estamos em condições de limitação do nutriente =>µX reduz-se 
até cessar completamente o crescimento, em condições de exaustão do 
nutriente
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
� Equação Matemática de Monod
½µmax
µmax
µmax (h-1)� µmax taxa específica de crescimento máxima
� Ks constante de saturação ou de Monod
� S concentração do substrato limitante 
Ks
S (mg/L)
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
Parâmetros de Monod
µmax
A taxa específica de crescimento máxima é a taxa máxima de A taxa específica de crescimento máxima é a taxa máxima de 
crescimento obtida para condições não limitantes.
KS
� A constante de Monod (Ks) é a concentração do nutriente limitante para 
a qual a taxa de crescimento é metade da taxa de crescimento máxima
� Representa a afinidade do microorganismo com o nutriente
� Os valores de µmax e Ks dependem do microorganismo, do nutriente 
limitante,do meio de fermentação e de fatores tais como: temperatura e 
Ph
CINÉTICA DE PROCESSOS 
FERMENTATIVOS
Linearização de Linewever- Burk
= a
= b
y = ax + b