Resumo Biotecnologia Industrial vol 2, Capítulo 6, cinética de Processos Fermentativos

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Resumo. Biotecnologia Industrial vol 2, Capítulo 6, cinética de Processos Fermentativos. 
Andre L. Freitas, José P. de Castro Junior, Jonas C. da Silva, e Luís E. de Oliveira Teixeira. e 
Millena Freitas 
 
O estudo da cinética de processos fermentativos tem base na análise de evolução dos 
valores de um ou mais componentes do sistema, como biomassa, microorganismo, produtos 
do metabolismo, metabólitos, substratos, em função do tempo. A partir da cinética é possível 
comparar quantitativamente as diferentes condições de parâmetros para a transformação, 
alterando valores de pH, e temperatura, por exemplo, podendo classificá-los e escolher o 
melhor método de acordo com o objetivo a ser alcançado, sendo os métodos mais comumente 
utilizados para medir a concentração celular a turbidimetria e espectrometria. O agente ativo 
promove a transformação por atividade de enzimas produzidas, apesar da fácil compreensão 
desse mecanismo, é difícil identificar quais medidas são realmente representativas na 
transformação, por conta de sistemas homogêneos, culturas mistas, sólidos em suspensão, 
processos biológicos de tratamento de resíduos e outros interferentes que afetam na medida 
adequada de biomassa. Dentre os parâmetros de transformação, temos as velocidades 
instantâneas de crescimento, que são definidas ora pelo consumo de substrato por um certo 
período de tempo ora pela produção de produto durante um certo intervalo de tempo, essas 
definições podem ser traduzidas pelos valores das inclinações das tangentes às respectivas 
curvas, são também conhecidas como velocidades volumétricas de transformação. Além 
disso, existe uma definição especial dessas velocidades quando relacionadas aos processos 
fermentativos, sendo a primeira definição de produtividade de biomassa, a qual avalia o 
crescimento microbiano durante o tempo total da fermentação, seguindo o mesmo raciocínio, 
existe a produtividade do produto, a qual averigua a quantidade de produto formado durante o 
tempo de fermentação. Em relação ao processo descontínuo, a concentração microbiológica 
aumenta de acordo com a concentração do complexo enzimático, isso influencia diretamente 
na velocidade da transformação do substrato em produto, portanto, é necessário avaliar a 
velocidade da reação de acordo com a biomassa existente no momento, essa categoria é 
nomeada como velocidade específica de transformação, esse termo depende de fatores de 
conversão, como relação biomassa/produto, biomassa/substrato e produto/substrato. 
Entretanto, vale lembrar que nem sempre o substrato esgota completamente quando a 
biomassa apresenta o crescimento máximo, devido aos produtos gerados pelo metabolismo 
secundário que inibem a proliferação celular e que dificulta a atividade enzimática. Em 
relação a fermentação industrial, esses fatores de conversão não são constantes, pois 
dependem de diversas condições intrínsecas ao microrganismo utilizado, como a interação a 
um determinado substrato, aos componentes do meio e as condições do meio, como agitação e 
oxigenação, assim como, é válido mencionar que a energia necessária para célula não está 
totalmente voltada apenas para o crescimento celular, como também está relacionada a 
manutenção das funções vitais do microrganismo. Portanto, algumas conclusões feitas em 
relação a um determinado cultivo dependem de vários dados experimentais do sistema. Pelas 
definições de velocidade apresentadas, é evidente que as velocidades necessitam de curvas a 
partir de pontos experimentais, podendo ser realizados manualmente. Para exemplificar o 
cálculo utiliza-se equações de velocidades, podendo determinar as formas das diversas 
funções da cinética enzimática. A fase lag acontece logo após a inoculação dos 
microrganismos. Não ocorre divisão celular, pois os mesmos estão na fase de adaptação do 
meio. A fase de transição é quando começam a se reproduzir e o tempo depende de cada 
microrganismo. A terceira fase é a logarítmica, onde a velocidade específica de divisão 
celular é constante e máxima. Na fase linear a velocidade é constante, mas a velocidade 
específica não é constante devido a presença de certos interferentes como limitação de 
nutrientes. Quando ocorre o esgotamento de componentes do meio disponíveis para as células 
crescerem, a taxa de divisão celular é diminui devido ao acúmulo de metabólitos inibidores e 
ambas as velocidades diminuem. Na sexta fase, a estacionária, ocorre o balanço entre a 
velocidade de crescimento e a velocidade de morte celular. Assim, ocorre o declínio ou lise, 
pois a taxa de reprodução celular é menor que a taxa de morte. Seguindo os comportamentos 
relativos das funções μ =μ (t), é possível se ter uma base para uma importante classificação 
dos processos fermentativos. No primeiro caso, nota-se uma configuração que representa o 
caso em que o produto formado (o metabólito primário) está diretamente ligado às reações do 
catabolismo ou decomposição do substrato (os açúcares). Já no segundo caso, a formação do 
produto está parcialmente associada ao crescimento; sua formação não está diretamente ligada 
ao caminho metabólico produtor de energia. Enquanto que no terceiro caso está relacionada às 
fermentações complexas, nesse grupo não há uma associação clara entre as referidas 
velocidades que permita estabelecer alguma relação cinética definida e o produto formado é 
denominado como metabólito secundário. Contudo, se tem outra classificação, baseada nas 
associações entre formação do produto com microrganismos em reprodução ou não que três 
grupos característicos de processos em que a formação de produto está associada: (1) apenas à 
atividade de células em reprodução; (2) à atividade de todas as células, em reprodução ou não; 
(3) apenas à atividade das células que não se reproduzem. A equação de MONOD explica a 
relação da concentração S de substrato limitante no meio, com a velocidade específica μS de 
reprodução do microorganismo. 
μ = μm . S μm = máxima velocidade específica de crescimento/ reprodução 
 Ks + S Ks = Cte de saturação. Corresponde a [S] na qual μm /2 . A 
expressão de MONOD é formalmente igual à equação de Michaeli-Menten. No início do 
cultivo onde S é alto, o microrganismo apresenta uma velocidade específica próximo à 
máxima. Quanto menor for Ks mais amplo será o “patamar” mais horizontal da curva que se 
encontrará mais próximo do valor de μm e implica também numa maior duração da fase 
exponencial. A equação de MONOD não leva em consideração a inibição do substrato ou 
mesmo do produto, existem outras equações propostas que também desconsideram a inibição. 
Porém a inibição é algo comum, principalmente no cultivo descontínuo. A preocupação é que 
o substrato venha a inibir a reação. Com o objetivo de explicar a redução da velocidade 
específica do crescimento provocada por altos valores do [S], foi proposta uma modificação 
da expressão de MONOD. 
μX = μm. S . KI,S . KI,s É a constante de inibição pelo substrato 
 Ks + S KI,S + S 
Se KI,S >> S, então S/ KI,S≈0, ou seja, considerando um valor relativamente alto da 
KI,S requer igualmente valores altos de S para que o efeito inibidor apareça. Inversamente, 
valores muito baixos representam um substrato muito inibidor perante uma dada espécie de 
microrganismo. Um equacionamento foi realizado para inibição por produto. 
μX = μm. S . K1,p . 
 Ks + S K1,p + P 
 
Palavras chaves: fermentação, MONOD, células, atividade celular,