Biotecnologia Industrial - Vol 2 - Willibaldo Schmidell

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DisciplinaEngenharia Química697 materiais1.722 seguidores
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do fenômeno sob o ponto de vista cinético. 
Assim, tais perfis representam o ponto de partida para a descrição quantita-
tiva de uma fermentação como, por exemplo, a identificÇtção da duração do pro-
cesso, geralmente baseada no instante em que X e P apresentam valores máximos 
(Xm e Prrv na Fig. 6.1). 
Uma vez que esses valores representam parte de um conjunto de dados, ne-
cessários ao dimensionamento de uma instalação produtiva, fica evidente que sem 
o conhecimento da cinética torna-se inviável a transposição de um experimento de 
laboratório para a escala industrial. 
Além desse aspecto, cabe mencionar que a cinética possibilita também uma 
comparação quantitativa entre as diferentes condições de cultivo (pH, temperatu-
ra, etc.), por intermédio de variáveis, como: as velocidades de transformação (su-
bitem 6.2.1) e os fatores de conversão (subitem 6.2.3), obtidos também a partir das 
curvas de ajuste X = X (t), P = P (t) e S = S (t). 
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 ~xem­
plo) é maior no primeiro que no segundo caso. O mesmo pode ser afirmado quan~ 
do se comparam os desempenhos de cultivos sob diferentes temperaturas, 
diferentes variedades de uma dada espécie de microrganismo, diferentes compo-
sições de meio, etc. 
Convém frisar, entretanto, que os critérios de comparação entre diferentes 
condições são relativos, isto é, dependem do que se espera obter de um determina-
do processo fermentativo. Assim, quando o tempo de duração da fermentação for 
de primordial importância por razões econômicas, as produtividades (subitem 
6.2.1) devem ser empregadas como referências numéricas, em vez de algum fator 
de conversão. 
Outro aspecto que merece atenção é que os métodos comumente utilizàdos 
para a medida da concentração celular X, a saber: turbidimetria ou espectro~oto­
metria, biomassa seca, número total de células, número de células viáveis ou uni-
dades formadoras de colônias, volume do sedimento obtido por centrifugação, 
teor de um componente celular etc., representam uma informação muito simples 
do que ocorre em um fenômeno biológico. 
O microrganismo ou agente ativo promove a transformação dos componen-
tes do meio em produtos, graças às atividades de milhares de enzimas que, por 
sua vez, são sintetizadas pelo próprio microrganismo. Sendo essas sínteses contro-
ladas pelo meio externo (fenômenos de indução e repressão), torna-se.assim muito 
difícil, senão impossível, identificar qual medida ou medidas são realmente repre-
sentativas da transformação em estudo. 
Parâmetros de transformação 9 5 
Essa dificuldade ocorre mesmo nos sistemas mais homogêneos, quando o 
meio de fermentação for límpido, com as células isoladas umas das outras e quan-
do só uma dada espécie de microrganismo estiver suspensa no meio aquoso. 
A questão se complica ainda mais quando o sistema for constituído por uma 
cultura mista e, além disto, contiver sólidos em suspensão (alêm do microrganis-
mo), como nos processos biológicos de tratamento de resíduos domésticos e in-
dustriais. Nesse caso, medidas de sólidos suspensos voláteis, durante tal processo, 
são adotadas como uma avaliação indireta da biomassa presente. Os substratos a 
serem decompostos são simplesmente avaliados pelas determinações conhecidas 
como demandas química e biológica de oxigênio (DQO e DBO, respectivamente). 
Outros sistemas de fermentação, onde as medidas de biomassa são proble-
máticas, compreendem: células suspensas em meio aquoso, porém sob forma de 
flocos ou células filamentosas; células imobilizadas na superfície de materiais 
inertes ou biodegradáveis contidas no biorreator; células na presença de meio, co-
nhecido como semi-sólido, onde a matéria-prima é constituída por .m,aterial amilá-
ceo, por exemplo. Neste último caso, a presença do microrganismo, traduzida pela 
concentração de algum componente do mesmo (como proteína total), não pode ser 
interpretada como se a célula estivesse suspensa no meio aquoso. 
Finalmente, se o material a ser transformado pelo microrganismo (substrato) 
for parcialmente insolúvel no meio aquoso, como hidrocarbonetos líquidos ou só-
lidos, polímeros, minérios, etc., a concentração do substrato não possui significa-
do. Juntamente com essa variável será necessário avaliar a área de interface do 
material insolúvel com o meio aquoso, bem como a sua variação, à medida que o 
microrganismo promove a degradação do mesmo. Trata-se de um aspecto até ago-
ra não resolvido satisfatoriamente, a despeito de alguns método's propostos.1 
6.2 -:- Pa~âmetros de transformação 
6.2.1 - As velocidades instantâneas de transformação 
A Figura 6.1 ilustra as definições das velocidades instantâneas de crescimen-
to ou reprodução do microrganismo, consumo de substrato e formação de produ-
to, traduzidas respectivamente pelas seguintes expressões, para um tempo t: 
dX 
rx=-
dt 
(6.1) 
(6.2) 
dP 
fp =-
dt 
(6.3) 
~-- - ·- -- ·----- ····-~ - - -----··· ·· ---·- --- -- ------- - ___ , ____ .:__ __ ·_--.... --. ..--,.....-.-.---------------- -- ---------~---- ---;----------------- -.:·-· ... - - --------------- --- ------------- .... - -. -- - -·-··-- ···-
96 Cinética de processos fermentativos 
Tais velocidades, traduzidas pelos valores das inclinações das tangentes às 
respectivas curvas (Fig. 6.1) são também conhecidas como velocidades volumétri-
cas de transformação, cujas unidades correspondem a (massa) x (comprimentor3 x 
(tempor1\u2022 
No item 6.3 é apresentado um exemplo de cálculo dessas velocidades. 
Uma definição especial de velocidade, cujo interesse prático está na avalia-
ção do desempenho de um processo fermentativo, é a produtividade em biomas-
sa, definida por: · 
P - Xm -Xo x-
tf 
(6.4) 
Os termos dessa equação, definidos na Figura 6.1, mostram que a produtivi-
dade representa a velocidade média de crescimento referente ao tempo _total ou fi-
nal de fermentação, tf. 
A mesma definição pode ser aplicada à concentração do produto, denomina-
da produtividade do produto: · 
(6.5) 
onde tfp não é necessariamente igual a tf. A concentração inicial do produto é ge-
ralmente desprezível frente ao valor final ou máximo, P m· 
6.2.2 - As velocidades específicas de transformação 
Devido ao fato de que a concentração microbiana X aumenta durante um 
cultivo descontínuo, aumentando conseqüentemente a concentração do complexo 
enzimático responsável pela transformação do substrato S no produto P, é mais 
lógico analisar os valores das velocidades instantâneas (eqs. 6.6, 6.7 e 6.8) com re-
lação à referida concentração microbiana, ou seja, especificando-as COwJll respeito 
aovalor de X em um dado instante, conforme indicam as expressões: 
(6.6) 
(6.7) 
( ___ ,.)= 1 dP Jlp -·-
--- X dt 
(6.8) 
Essas são denominadas velocidades específicas de crescimento,_ consumo de 
substrato e formação de produto respectivamente, tendo sido GADEN2 o autor 
destas definições. 
----~------------------------------~-~ 
Parâmetros de transformação 97 
6.2.3 - Os fatores de conversão e os coeficientes específicos 
de manutenção 
Com referência à Figura 6.1, considerando um determinado tempo t de fer-
mentação, os correspondentes valores de X, Se P podem ser relacionados entre si, 
através dos fatores de conversão definidos por: 
' ~ ~~~ ~ -X -Xo (6.9) 
,J ~,,~,. "'::is -s 
"'- o ' 
/ 
X-X Yfti> = o 
" '))!_ P-P 
o 
P-P Y~'rs =--o 
t'..t1;>_ 5
0
-S 
(6.10) 
(6.11) 
Se tais fatores permanecerem constantes durante ó cultivo, o que não ocorre 
com freqüência, as três expressões ~nteriores podem ser aplicadas também no 
tempo final de fermentação, ondà ~-X~, ·~~ S d ó, resultando: 
(6.12) 
y - Xm -Xo 
X/P- p -P 
m o 
(6.13) 
Yr;s = Pm -Po (6.14) 
so 
Eliminando-se a grandeza