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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 Micro-organismos (biomassa) Produtos do metabolismo (metabólitos) Nutrientes ou substratos produto de interesse econômico substrato limitante Estudo cinético Identificação da duração do processo Definir perfis das curvas ou a forma matemática delas Ponto de partida para a descrição quantitativa da fermentação É necessário o conhecimento dos valores intermediários de X, S e P Sem o conhecimento da cinética: Dimensionamento de uma instalação produtiva Experimento de laboratório Escala industrial a cinética possibilita uma comparação quantitativa entre as diferentes condições de cultivo pH T composições de meio Velocidades de transformação Fatores de conversão Obtidos a partir das curvas de ajuste X = X(t) P = P(t) S = S(t) se um valor de pH é melhor do que outro ↔ o fator de conversão é maior se o tempo da fermentação for de primordial importância por razões econômicas ↔ produtividades devem ser utilizadas como referências numéricas Medir as taxas de transformações Estudar a influência de fatores nestas taxas Equações empíricas ou modelos matemáticos Aplicar o modelo na otimização e no controle do processo curvas de ajuste de X, S e P pH, T, etc. Correlacionar por meio de equações empíricas as taxas de transformações e os fatores que nelas influenciam Visando aumentar rendimentos e produtividades Fatores de rendimento (g/g) YP/S YX/S YP/X Produtividade (g/L.h) 𝑄𝑃 = 𝑃 𝑡 definem as viabilidades técnica e econômica de bioprocessos compromissos com altas taxas implicações econômicas volume de reatores aumento da escala capacidade produtiva da célula Inclinações das tangentes às curvas Unidade: g/L.h taxa de crescimento (ou reprodução) celular= 𝒅𝑿 𝒅𝒕 taxa de consumo de substrato= − 𝒅𝑺 𝒅𝒕 taxa de formação de produto= 𝒅𝑷 𝒅𝒕 a concentração microbiana aumenta durante um cultivo descontínuo consequência: aumento da concentração do complexo enzimático responsável pela transformação de S em P é mais lógico analisar os valores das taxas reacionais com relação à [X] ou seja: especificando-as com respeito ao valor de X em um dado instante taxa específica de crescimento taxa específica de formação de produto taxa específica de consumo de substrato 𝜇 = 1 𝑋 𝑑𝑋 𝑑𝑡 𝑞𝑃 = 1 𝑋 𝑑𝑃 𝑑𝑡 𝑞𝑆 = − 1 𝑋 𝑑𝑆 𝑑𝑡 sinal negativo → consumo de S YX/S fator de rendimento de células em relação ao substrato consumido fator de conversão de substrato em células ou [YX/S] = g de células / g de substrato consumido 𝑌𝑋 𝑆 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 𝑌𝑋 𝑆 = ∆𝑋 −∆𝑆 = 𝑋 − 𝑋0 (𝑆0 − 𝑆) = 𝑑𝑋 𝑑𝑡 −𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝑌𝑋 𝑆 = 𝑑𝑋 𝑑𝑡 −𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝜇 ∙ 𝑋 𝑞𝑆 ∙ 𝑋 𝑌𝑋 𝑆 = 𝜇 𝑞𝑆 Se YX/S for constante ao longo do tempo: 𝑋 = 𝑋0 + 𝑌𝑋 𝑆 𝑆0 − 𝑆 forma diferencial relação com as taxas [YP/S] = g de produto / g de substrato consumido YP/S fator de rendimento de produto em relação ao substrato consumido fator de conversão de substrato em produto ou 𝑌𝑃 𝑆 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 𝑌𝑃 𝑆 = ∆𝑃 −∆𝑆 = 𝑃 − 𝑃0 (𝑆0 − 𝑆) = 𝑑𝑃 𝑑𝑡 −𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝑌𝑃 𝑆 = 𝑑𝑃 𝑑𝑡 −𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝑞𝑆 ∙ 𝑋 𝑌𝑃 𝑆 = 𝑞𝑃 𝑞𝑆 forma diferencial relação com as taxas 𝑞𝑃 ∙ 𝑋 Se YP/S for constante ao longo do tempo: 𝑃 = 𝑃0 + 𝑌𝑃 𝑆 𝑆0 − 𝑆 YP/X fator de rendimento de produto em relação à biomassa formada [YP/X] = g de produto / g de células 𝑌𝑃 𝑋 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑌𝑃 𝑋 = ∆𝑃 ∆𝑋 = 𝑃 − 𝑃0 (𝑋 − 𝑋0) = 𝑑𝑃 𝑑𝑡 𝑑𝑋 𝑑𝑡 𝑌𝑃 𝑋 = 𝑑𝑃 𝑑𝑡 𝑑𝑋 𝑑𝑡 𝜇 ∙ 𝑋 𝑌𝑃 𝑋 = 𝑞𝑃 𝜇 forma diferencial relação com as taxas 𝑞𝑃 ∙ 𝑋 Se YP/X for constante ao longo do tempo: 𝑃 = 𝑃0 + 𝑌𝑃 𝑋 𝑋 − 𝑋0 𝑌𝑃 𝑆 = 𝑑𝑃 𝑑𝑡 −𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝑌𝑃 𝑋 = 𝑑𝑃 𝑑𝑡 𝑑𝑋 𝑑𝑡 𝑌𝑋 𝑆 = 𝑑𝑋 𝑑𝑡 −𝑑𝑆 𝑑𝑡 note que: 𝑑𝑃 𝑑𝑡 −𝑑𝑆 𝑑𝑡 = 𝑑𝑃 𝑑𝑡 𝑑𝑋 𝑑𝑡 ∙ 𝑑𝑋 𝑑𝑡 −𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝑌𝑃 𝑆 = 𝑌𝑃 𝑋 ∙ 𝑌𝑋 𝑆 Então: 𝑌𝑋 𝑆0 = 𝑔 𝑑𝑒 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑎𝑠 𝑔 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑌𝑋 𝐴𝑇𝑃 = 𝑔 𝑑𝑒 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑎𝑠 𝑔𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐴𝑇𝑃 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑜 𝑌𝑋 𝑘𝑐𝑎𝑙 = 𝑔 𝑑𝑒 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑎𝑠 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑛𝑣𝑜𝑙𝑣𝑖𝑑𝑜 𝑌𝑋 𝑂2 = 𝑔 𝑑𝑒 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑎𝑠 𝑔𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑜𝑥𝑖𝑔ê𝑛𝑖𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 𝑌𝑋 𝑁𝑂3 − = 𝑔 𝑑𝑒 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑎𝑠 𝑔𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 𝑌𝑋 𝑀𝑃 = 𝑔 𝑑𝑒 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑎𝑠 𝑔 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎 𝑒𝑚𝑝𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑜 𝑝𝑟𝑒𝑝𝑎𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑖𝑜 𝑌𝑃 𝑆0 = 𝑔 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑔 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑌𝐶𝑂2 𝑆 = 𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑜 𝑔 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 𝑌𝐶𝑂2 𝑂2 = 𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑜 𝑔 𝑑𝑒 𝑂2 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 𝑌𝐴𝑇𝑃 𝑆 = 𝑔 𝑑𝑒 𝐴𝑇𝑃 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑜 𝑔 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 aplicação dos fatores modelos matemáticos dimensionamento de equipamentos 𝑌𝑃 𝑀𝑃 = 𝑔 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑔 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎 𝑒𝑚𝑝𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑜 𝑝𝑟𝑒𝑝𝑎𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑖𝑜 Relacionada ao produto Relacionada às células [QP] = [QX] = g/L.h , por exemplo 𝑄𝑃 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑡𝑓 ∙ 𝑉𝑚𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑄𝑋 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑡𝑓 ∙ 𝑉𝑚𝑜𝑠𝑡𝑜 tf = tempo de fermentação Vmosto = volume de mosto Relacionada ao produto Relacionada às células (𝑃𝑟)𝑃= 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 Geral (𝑃𝑟)𝑔= 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎 (𝑃𝑟)𝑋= 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 𝐸𝑓 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛í𝑣𝑒𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞𝑢𝑖𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑎 × 100 𝐸𝑓 = (𝑌𝑃 𝑆 )𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 (𝑌𝑃 𝑆 )𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 × 100 𝐸𝑔 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛í𝑣𝑒𝑙 𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑛𝑎 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎 × 100 Algumas etapas do bioprocesso onde podem ocorrer perdas: tratamento da matéria prima preparo do meio esterilização do meio separação de células recuperação do produto Matéria prima do bioprocesso: melaço Composição do melaço 50% ART (p/p) S0 150 g/L Sf 2 g/L P 118,4 g/L X0 2 g/L Xf 10 g/L Vbiorreator 10 L tfermentação 60 h Resultado YX/S 0,05 g/g YP/S 0,80 g/g YP/X 14,80 g/g YP/S0 0,79 g/g YP/MP 0,39 g/g YX/S0 0,05 g/gYX/MP 0,03 g/g QP 1,97 g/L.h QX 0,13 g/L.h (Pr)P 19,73 g/h (Pr)X 1,33 g/h (Pr)g - Ef 75% Eg - Produção de ácido cítrico Glicose Ácido Cítrico 180g 192g (YP/S)Teórico = 192 180 = 1,067 g de ácido cítrico g de glicose consumida O2 • Baseada nos perfis de concentração versus tempo Deindöerfer • Baseada nos perfis das taxas específicas versus tempo Gaden • Baseada na formação de produto Luedeking – Piret Deindöerfer Simples Substrato é convertido a produto(s) numa proporção estequiométrica fixa e definida, sem acúmulo de intermediário Deindöerfer Simultânea Substrato é convertido a produto(s) numa proporção estequiométrica variável, sem acúmulo de intermediário formação de mais de um produto com taxas molares diferentes desvios de [S] preferenciais para formação de um dado produto principal heterofermentação (acetona, butanol, etanol), produzidos em diferentes taxas produção de ácidos orgânicos Deindöerfer Consecutiva Substrato é convertido a um intermediário, o qual é concomitantemente transformado em produto produção de I e concomitante produção de P não há necessidade de acúmulo de I para consequente formação de P embora inicialmente I iniba a produção de P a uma taxa elevada em dado momento: [I] ↓ e [P] ↑ Etapas Substrato é completamente convertido a um intermediário antes da sua transformação em produto ou o substrato é seletivamente convertido a produto em ordem preferencial Deindöerfer enquanto S1 é consumido, S2 possui concentração constante após consumo total de S1, a célula consome S2 seletividade: o primeiro S a ser consumido é o de ↑ afinidade ou seja: ↓KS 5-KGA 2-KGA glicose ácido glucônico Deindöerfer Etapas Exemplo: produção de 2-cetogluconato (2-KGA) e 5-cetogluconato (5-KGA) 5-KGA → L-(+)-ácido tartárico Gaden Produção associada ao crescimento (Tipo I) Produtos aparecem diretamente do metabolismo energético de carboidratos perfil típico de batelada simples as células são capazes de formar P em todo o momento da sua fisiologia Gaden Exemplos: Produção associada ao crescimento (Tipo I) Gaden Produção semiassociada ao crescimento (Tipo II) Produto aparece em etapa posterior ao início do processo, indiretamente associado ao metabolismo energético de carboidratos cinética mista uma fase em que a produção é associada ao crescimento outra fase onde a formação de P ocorre quando X se mantém constante Gaden Exemplo: Produção semiassociada ao crescimento (Tipo II) glicose pululana biomassa Gaden Produção não associada ao crescimento (Tipo III) Formação de produto não relacionado com o metabolismo energético de carboidratos inicialmente o crescimento microbiano é desenvolvido a formação de P só ocorre após o crescimento celular ser interrompido outro exemplo de repressão Gaden Exemplo: Produção não-associada ao crescimento (Tipo III) Gaden Relação com as taxas de crescimento e formação de produto Variação temporal das variáveis de processo (X e P): Variação temporal das taxas específicas de crescimento e formação de produto: (1) fases 1, 2 e 3 (2) superposição de etapas (3) crescimento seguido de formação de P Luedeking-Piret (1) Modelo de crescimento associado O substrato é convertido a um produto único, que se forma concomitantemente com o crescimento celular (2) Modelo combinado A taxa de formação de produto depende tanto da taxa de crescimento como da concentração celular (3) Modelo de crescimento não-associado A taxa de formação de produto só depende da concentração celular Luedeking-Piret Determinação das constantes α e β Modelo global: 𝑑𝑃 𝑑𝑡 = 𝛼 𝑑𝑋 𝑑𝑡 + 𝛽𝑋 ÷ X 𝑞𝑃 = 𝛼𝜇 + 𝛽 (1) α > 0; β = 0 (2) α > 0; β > 0 (3) α =0; β > 0 α: constante estequiométrica (gP/gX) β: constante de proporcionalidade (gP/gX.h) su b st ra to Crescimento (formação de biomassa) Formação de produto Manutenção celular (manutenção energética) 𝑆𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑆𝑐𝑟𝑒𝑠𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 + 𝑆𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 + 𝑆𝑚𝑎𝑛𝑢𝑡𝑒𝑛çã𝑜 𝑑𝑆 𝑑𝑡 = − 1 𝑌𝐺 𝑑𝑋 𝑑𝑡 − 1 𝑌𝑃 𝑑𝑃 𝑑𝑡 − 𝑚𝑋 𝑑𝑆 𝑑𝑡 = − 1 𝑌𝐺 𝑑𝑋 𝑑𝑡 − 1 𝑌𝑃 𝛼 𝑑𝑋 𝑑𝑡 + 𝛽𝑋 −𝑚𝑋 𝑑𝑆 𝑑𝑡 = 𝑑𝑋 𝑑𝑡 − 1 𝑌𝐺 − 𝛼 𝑌𝑃 − 𝛽 𝑌𝑃 +𝑚 𝑋 γ η −𝑞𝑆 = −𝛾𝜇 − η 𝑞𝑆 = 𝛾𝜇 + η × 1 𝑋 Trabalho valendo ponto!!! Data da entrega: 25/04/2017 (terça-feira) Classifique os bioprocessos descritos a seguir de acordo com a classificação cinética segundo Deindöerfer (simples, simultânea, consecutiva ou em etapas), Gaden (formação de produto associado, semi-associado e não-associado ao crescimento celular) e Luedeking-Piret (modelo de crescimento associado, modelo combinado e modelo de crescimento não associado), justificando sua resposta. “Kinetic model for batch cellulase production by Trichoderma reesei RUT C30” Journal of Biotechnology 54 (1997) 83–94 Svetlana Velkovska, Mark R. Marten, David F. Ollis (1) (2) Fonte: Biomass and Bioenergy 29 (2005) 49–59 ‘Evaluation of wheat stillage for ethanol production by recombinant Zymomonas mobilis’ Autores: Linda Davisa, Young-Jae Jeonb, Charles Svensonb, Peter Rogersb, John Pearcec, Paul Peirisa (3) Fonte:JOURNAL OF FERMENTATION AND BIOENGINEERING Vol. 81, No. 1, 42-46. 1996 Título: ‘Efficient Production of Acetic Acid from Glucose in a Mixed Culture of Zymomonas mobilis and Acetobacter sp.’ Autores: TETSUYA KONDO* AND MASAO KONDO (4) Fonte: Enzyme and Microbial Technology 35 (2004) 545–549 Título: ‘Production of xylitol by recombinant Saccharomyces cerevisiae containing xylose reductase gene in repeated fed- batch and cell-recycle fermentations’ Autores: Sun-Myung Baea, Yong- Cheol Parka, Tae-Hee Leea, Do- Hyun Kweona, Jin-Ho Choia, Sung-Koo Kimb, Yeon-Woo Ryuc, Jin-Ho Seoa.
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