Aula 8 Cinética de Bioprocessos 2018 2

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18/09/2018
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Escola de Química
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Professor: Elcio Ribeiro Professor: Elcio Ribeiro BorgesBorges
EQB-367-FUNDAMENTOS 
DE ENGENHARIA BIOQUÍMICA
CINÉTICA
DE 
BIOPROCESSO
Cinética de Bioprocesso
X
X
Tempo 
dX/dt
dS/dt
S
S
P
dP/dt
P
Evolução dos valores de concentração de um ou mais componentes do
sistema de cultivo em função do tempo de fermentação.
COMPONENTES DO SISTEMA:
Produto (s) do metabolismo
Nutrientes ou Substrato que compõe o meio
Microorganismo (Biomassa)
valores
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Aspectos biológicos importantes
 As taxas reacionais, de crescimento celular e de processo dependem das
condições ambientais no biorreator (fatores F-Q-B);
 A massa celular pode aumentar com o progresso da conversão bioquímica;
Algumas células, como as animais e de microrganismos filamentosos, são
suscetíveis a forças cisalhantes*;
 Tanto o substrato quanto o(s) produto(s) podem inibir o bioprocesso;
 Em contraste às enzimas isoladas ou a catalisadores químicos,
microrganismos adaptam-se às condições de processo, podendo alterar
seletividade e produtividade (Aclimatação);
 Microrganismos podem metabolizar substratos não convencionais (material
oleoso ou polimérico), processos realizados em meios altamente viscosos (com
reologia não Newtoniana);
 Mutações podem ocorrer em condições biológicas sub-ótimas;
 As reações biológicas ocorrem em sistemas gás-líquido-sólido. A fase líquida
usualmente sendo água;
 Efeitos tais como: crescimento em parede, floculação ou autólise podem
ocorrer com o curso do processo.
Aspectos biológicos importantes
 As taxas reacionais, de crescimento celular e de processo dependem das
condições ambientais no biorreator (fatores F-Q-B);
 A massa celular pode aumentar com o progresso da conversão bioquímica;
Algumas células, como as animais e de microrganismos filamentosos, são
suscetíveis a forças cisalhantes*;
 Tanto o substrato quanto o(s) produto(s) podem inibir o bioprocesso;
 Em contraste às enzimas isoladas ou a catalisadores químicos,
microrganismos adaptam-se às condições de processo, podendo alterar
seletividade e produtividade (Aclimatação);
 Microrganismos podem metabolizar substratos não convencionais (material
oleoso ou polimérico), processos realizados em meios altamente viscosos (com
reologia não Newtoniana);
 Mutações podem ocorrer em condições biológicas sub-ótimas;
 As reações biológicas ocorrem em sistemas gás-líquido-sólido. A fase líquida
usualmente sendo água;
 Efeitos tais como: crescimento em parede, floculação ou autólise podem
ocorrer com o curso do processo.
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Aspectos biológicos importantes
 As taxas reacionais, de crescimento celular e de processo dependem das
condições ambientais no biorreator (fatores F-Q-B);
 A massa celular pode aumentar com o progresso da conversão bioquímica;
Algumas células, como as animais e de microrganismos filamentosos, são
suscetíveis a forças cisalhantes*;
 Tanto o substrato quanto o(s) produto(s) podem inibir o bioprocesso;
 Em contraste às enzimas isoladas ou a catalisadores químicos,
microrganismos adaptam-se às condições de processo, podendo alterar
seletividade e produtividade (Aclimatação);
 Microrganismos podem metabolizar substratos não convencionais (material
oleoso ou polimérico), processos realizados em meios altamente viscosos (com
reologia não Newtoniana);
 Mutações podem ocorrer em condições biológicas sub-ótimas;
 As reações biológicas ocorrem em sistemas gás-líquido-sólido. A fase líquida
usualmente sendo água;
 Efeitos tais como: crescimento em parede, floculação ou autólise podem
ocorrer com o curso do processo.
Vantagem: Separação; melhoramento da performance de
decantadores secundários (processos de lodo ativado).
Desvantagens: - Diminui contato celular com nutriente do
meio;
- Formação de espumas (produção de Raminolípideos).
Inviável o uso de membranas/anti-espumantes (moléculas para
redução da tensão interfacial).
Objetivos da Cinética de Bioprocessos:
 Medir taxas de transformações;
 Estudar a influência de fatores nessas
taxas;
 Correlacionar, por meio de equações
empíricas ou modelos matemáticos, as
taxas de transformações com os
fatores que nelas influenciam;
 Aplicar as equações obtidas na otimização
e no controle do bioprocesso*.
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VARIÁVEIS DE RESPOSTA IMPORTANTES 
PARA SE AVALIAR O DESEMPENHO DE 
BIOPROCESSOS
YP/S; YX/S; YP/X [g/g]
Produtividade: Produtividade:  hLg
t
PQP ./
Fatores de Rendimento:Fatores de Rendimento:
Definem a viabilidade técnica e viabilidade econômica de Bioprocessos
Compromisso com altas taxas*
Capacidade produtiva da célula
YP/X
Implicações econômicas:(volume de reatores)/ ampliação de escala
Procurar soluções para a limitação da capacidade de crescimento celular
Super expressão/ produção em processos contínuos
Taxas específicas de crescimento (), de formação 
de produto (qP) e de consumo de substrato (qS)
X
(dX/dt)1
dt
dX
X
1

(dP/dt)1
P
dt
dP
X
qP
1

(dS/dt)1
tempo
S
dt
dS
X
qS
1

X1
t1
Normalizada em relação a X
Sinal negativo: S consumido
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S
XY SX 

/ dtdS
dtdXY SX /
/
/ 

Definição dos Fatores de Rendimento 
para o Crescimento e a Formação de Produto
e suas Relações com as Taxas Específicas
Forma diferencial
X.
Xqs. S
SX q
Y /
Relação com taxas
S
PY SP 

/ dtdS
dtdPY SP /
/
/ 

Xqp.
Xqs.
S
P
SP q
qY /
X
PY XP 

/
dtdX
dtdPY XP /
/
/ 
X.
Xqp.

P
XP
qY /
Relação entre os fatores de rendimento
SXXPSP YYY /// 
dtdS
dtdXY SX /
/
/ 

dtdS
dtdPY SP /
/
/ 

dtdX
dtdPY XP /
/
/ 
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Outras Definições de Fatores de Rendimento
para o Crescimento e suas relações
oSXY / g de células secas/ g de substrato inicial
ATPXY / g de células secas/ g mol de ATP produzido
KcalXY / g de células secas/ Kcal de calor evolvido
2/OXY g de células secas/ g mol de oxigênio consumido

3/ NOX
Y g de células secas/ g mol de nitrato consumido
Outras Definições de Fatores de Rendimento
para a Produção
oSPY / g de produto/ g de substrato inicial
SCOY /2 g de CO2 produzido / g de substrato consumido
2/2 OCOY g de CO2 produzido / g de O2 consumido
SATPY / g de ATP produzido/ g de substrato consumido
OBS: Novos fatores apresentados, além de SXXPSP YYY /// 
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Classificação Cinética de Deindöerfer
O QUE FOI DITO POR O QUE FOI DITO POR DEINDÖERFER ? ? 
“Os bioprocessos possuem suas particularidades, porém “Os bioprocessos possuem suas particularidades, porém 
podem ser agrupados, já que seus perfis cinéticos são podem ser agrupados, já que seus perfis cinéticos são 
semelhantes”semelhantes”
Quais são os tipos?Quais são os tipos?
Classificação Cinética de Deindöerfer
Tipo Descrição
SIMPLES O substrato é convertido a produto (s) numa proporção
estequiométrica fixa e definida, sem acumulação de
intermediários.
tempo
S P
Observação de perfil cinético simples: 
proporções estequiométricas respeitadas
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Tipo Descrição
SIMULTÂNEA O substrato é convertido a produto(s) numa
proporção estequiométrica variável, sem
acumulação de intermediários.
P1S
P2
Tempo
Formação de mais de um produto c/ 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
Tipo Descrição
CONSECUTIVA O substrato é convertido a um intermediário, o qual é
subseqüentemente transformado em produto. São
aquelas reaçõesem que um intermediário se acumula
em uma determinada fase do processo, antes do
produto ser totalmente formado.
PS
I
Tempo
Produção de intermediário e concomitante produção de [P]
Não há, portanto, necessidade que a [ I ] se acumule para depois 
formar [P], embora incialmente o [ I ] iniba a formação de [P] a uma 
taxa elevada, até que ele se acumule (repressão em dado ponto)
Dado momento a conc. [ I ] diminui e [P] aumenta.
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Tipo Descrição
ETAPAS O substrato é completamente convertido a um
intermediário antes da sua transformação em produto,
ou o substrato é seletivamente convertido a produto,
em ordem preferencial.
S1
S2 X
Tempo
Enquanto S1 é consumido, S2 é possui concentração cte, X cresce 
Após desaparecimento total de S1, a célula consome S2 com 
reflexo no crescimento
Seletividade: primeiro consome o S com maior afinidade, logo, 
menor Ks (MONOD)
Taxa de crescimento com S1 é maior que S2
Classificação Cinética de Deindöerfer
Tipo Descrição
SIMPLES O substrato é convertido a produto (s) numa proporção
estequiométrica fixa e definida, sem acumulação de
intermediários.
SIMULTÂNEA O substrato é convertido a produto(s) numa proporção
estequiométrica variável, sem acumulação de
intermediários.
CONSECUTIVA O substrato é convertido a um intermediário, o qual é
subseqüentemente transformado em produto. São
aquelas reações em que um intermediário se acumula
em uma determinada fase do processo, antes do
produto ser totalmente formado.
ETAPAS O substrato é completamente convertido a um
intermediário antes da sua transformação em produto,
ou o substrato é seletivamente convertido a produto,
em ordem preferencial.
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PS
Tempo
Simples
P1S
P2
Tempo
Simultânea
PS
I
Tempo
Consecutiva
S1
S2 X
Tempo
Em Etapas
Classificação Cinética de Deindöerfer
Classificação Cinética de Gaden
1. Produção associada ao crescimento
2. Produção semi-associada ao crescimento
1. Produção não-associada ao crescimento
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Classificação Cinética de Gaden
1. Produção associada ao crescimento
Perfil típico de batelada simples
Tempo
X
P
Célula capaz de formar Produto em todo o momento da 
sua fisiologia
Exemplo de cinética de produção 
associada ao crescimento celular
Produção de etanol por Zymomonas 
mobilis. Fonte: Rogers et al. (1980)
OBSERVAÇÕES
Célula (Biomassa)encerra 
crescimento e formação de 
produto ao mesmo tempo
Produção de gramicidina por Bacillus brevis. 
Fonte: Kosaric et al. (1993)
X
P
X
P
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Classificação Cinética de Gaden
2. Produção semi-associada ao crescimento
Cinética mista
Uma fase em que a produção é associada ao crescimento
Uma fase em que a formação de produto ocorre
quando o crescimento é mantido constante
X
P
Tempo
Exemplo de cinética de produção 
semi-associada ao crescimento celular
Produção de pullulana (amido ramificado), por Bacillus pullulan
X
P
Tempo
X
P
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Classificação Cinética de Gaden
3. Produção não-associada ao crescimento
Tempo 
X P
Inicialmente, o crescimento microbiano é desenvolvido
A formação de produto só ocorre após o crescimento celular ser 
interrompido
Outro exemplo de repressão
Exemplo de cinética de produção 
não-associada ao crescimento celular
Produção de raminolipídeos por Pseudomonas aeruginosa, 
Perfil completamente não associado
Fonte: Venkata et al. (1990)
X
X
P
P
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Classificação Cinética de Gaden
Relação com as taxas de crescimento e formação de produto
Tempo
X
P
(1)
Tempo 

qP
(1)
Fases 1/ 2/ 3
X
P
Tempo
(2)

qP
Tempo 
(2)
Superposição de etapas
Tempo 
X P
(3)
 qP
Tempo 
(3)
Cresc. Seguido de formação de P
Variação temporal das variáveis de processo (X,P)
Variação temporal das taxas específicas de cresc. e formação de produto
Modelos Cinéticos baseados na 
Formação de Produto
(Matematicamente temos o Modelo de Luedeking-Piret)
X
dt
dP






dt
dX
dt
dP

(3) Modelo de Crescimento Não Associado: a taxa de formação
de produto só é dependente da concentração celular.
(2) Modelo Combinado: a taxa de formação de produto depende 
tanto da taxa de crescimento como da concentração celular. 
(1).Modelo de Crescimento Associado: o substrato é
convertido a um produto único, que se forma
concomitantemente com o crescimento celular. Logo,
formação de produto proporcional ao crescimento
X
dt
dX
dt
dP
 





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Determinação das constantes  e 
(Modelo de Luedeking-Piret)
Modelo global
X
dt
dX
dt
dP
 
 Pq
Dividindo por X
qP

(1)
(2)
(3)
(1)  > 0;  = 0
(2)  > 0;  > 0
(3)  = 0;  > 0
Regressão linear
: constante estequiométrica, gP/gX
 : constante de proporcionalidade, gP/gX.h
mX
dt
dP
Ydt
dX
Ydt
dS
PG

11
mXX
dt
dX
Ydt
dX
Ydt
dS
PG





  
11
Xm
YYYdt
dX
dt
dS
PPG













1
Cinética de Utilização do Substrato
Stotal = S crescimento + S formação de produto + S manutenção energética
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 Sq
tg  = 

qs

X
dt
dX
dt
dS
 
Sq
Cinética de Utilização do Substrato