Cinética de processos fermentativos

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Cinética de processos fermentativos 
Introdução (pág 112) 
O estudo cinético de um processo fermentativo 
consiste inicialmente na análise da evolução dos valores de 
concentração de um ou mais componentes do sistema de 
cultivo (microrganismos ou biomassa, produtos do 
metabolismo ou metabólitos ou nutrientes ou substratos), em 
função do tempo de fermentação. 
Quando as conclusões sobre um cultivo forem 
baseadas unicamente em dois valores de X, S ou P não se 
pode afirmar que um estudo cinético do processo tenha sido 
realizado, é necessário o conhecimento dos valores 
intermediários que permitem definir os perfis das curvas. 
A cinética possibilita também uma comparação 
quantitativa entre as diferentes condições de cultivo (pH, 
temperatura, etc.), por intermédio de variáveis como: 
velocidades de transformação e os fatores de conversão. 
Afirmar que um determinado valor de pH é melhor 
que um outro, equivale a dizer que o fator de conversão é 
maior no primeiro caso que no segundo; o mesmo pode ser 
afirmado quando se compara os desempenhos de cultivo sob 
diferentes temperaturas, diferentes variedades de uma 
espécie de M.O, diferentes composições de meio, etc. 
Parâmetros de 
transformação (pág 114) 
Velocidades específicas de 
transformação (pág 115) 
Devido ao fato de que a concentração microbiana X 
aumenta durante um cultivo descontínuo, aumentando 
consequentemente a concentração do complexo enzimático 
responsável pela transformação do substrato S no produto 
P, é mais lógico analisar os valores das velocidades 
instantâneas com relação à referida concentração 
microbiana, especificando-as com respeito ao valor de X em 
um dado instante. 
Os fatores de conversão e os 
coeficientes específicos de 
manutenção (pág 116) 
Nem sempre o substrato se esgota completamente 
quando a concentração celular apresentar seu valor máximo, 
podendo ainda existir uma concentração residual daquela 
substancia no meio de cultura, ao término da fermentação. 
Isso ocorre porque à medida que o M.O se reproduz, são 
formados produtos do metabolismo que inibem o crescimento 
celular, o próprio substrato também pode dificultar a 
atividade microbiana. 
Cálculos das velocidades 
(pág 120) 
Os cálculos das velocidades necessitam, em 
primeiro lugar, dos traçados das curvas a partir dos pontos 
experimentais, que podem ser realizados manualmente, com 
programas de computados ou através de curvas 
representadas por equações conhecidas. 
Obs: Curvas de formação de M.O (X) e do Produto (P) 
exibem a forma sigmoidal crescente. Curvas do Substrato 
residual (S) se caracteriza pelo perfil em sigmoidal 
decrescente. 
A curva do crescimento 
microbiano (pág 122) 
Fase 1- Fase lag ou de latência, que se segue 
imediatamente após a inoculação do meio com o M.O em 
questão. Durante essa primeira fase, não há reprodução 
celular e ,assim, X= X0= constante. 
Fase 2- Fase de transição, em que se observa o 
início da reprodução microbiana. 
Fase 3- Fase logarítmica ou exponencial, onde a 
velocidade específica de crescimento é constante e máxima. 
Obs: para a Escherichia coli, tempo de geração de 
20min na T de cultivo de 37oC. Para leveduras, o valor mínimo 
está compreendido entre 1,5 e 2 horas. 
Fase 4- Fase linear de crescimento, por apresentar 
velocidade de reprodução constante. 
Obs: nessa fase, a velocidade específica decresce 
com o aumento da concentração celular e ,portanto, com o 
tempo t de cultivo. 
Fase 5- Desaceleração, devido ao esgotamento de 
um ou mais componentes do meio de cultura, necessários ao 
crescimento; velocidades de crescimento e específica 
diminuem até se anularem, no tempo tf. 
Fase 6- Estacionária, X atinge o valor máximo e 
constante Xm, onde há um balanço entre velocidade de 
crescimento e morte de M.O. 
Fase 7- Declínio ou Lise, valor da concentração 
celular diminui a uma velocidade que excede a velocidade de 
produção de células novas. 
Classificação dos 
processos fermentativos (pág 126) 
 
No caso da figura acima, um tipo característico de 
fermentação, as curvas apresentam perfis semelhantes, 
podemos dizer que a formação do produto (o metabólito 
primário) está associado ao crescimento. Essa configuração 
representa o caso em que o produto formado (o metabólito 
primário) está diretamente ligado às reações do catabolismo 
ou decomposição do substrato (os açúcares). 
 
 
Nesse caso, acima, observamos duas fases 
distintas: uma primeira fase onde a velocidade específica de 
consumo do açúcar está diretamente relacionada á de 
crescimento do M.O, não havendo praticamente formação do 
produto (ácido cítrico). Uma segunda fase, em que há uma 
boa semelhança entre os perfis das três velocidades 
específicas e que, portanto, se correlacionam bem, caso 
conhecido como formação do produto parcialmente 
associada ao crescimento, sua formação não está 
diretamente ligada ao caminho metabólico produtor de 
energia. 
 
No caso acima, se enquadram as fermentações 
complexas, exemplificadas pela produção de penicilina. A 
máxima velocidade de produção do antibiótico ocorre quando 
as demais velocidades específicas sofreram uma redução 
significativa. No começo da fermentação predominam 
transformações produtoras de energia com formação de 
biomassa, sendo que o antibiótico é formado quando o 
metabolismo oxidativo se encontra atenuado. Toxinas 
microbianas também pertencem a esse grupo. 
Influência da 
concentração do substrato 
sobre a velocidade específica 
de crescimento 
Equação de Monod: 
interpretação da fase exponencial (pág 
129) 
A expressão de Monos é formalmente igual à 
expressão de Michaelis-Menten. 
No início do cultivo, onde S é alto, o M.O apresenta 
uma velocidade específica próxima à máxima, podendo a 
mesma situar-se nessa região durante uma boa parte do 
processo, mesmo que o metabolismo celular provoque uma 
diminuição apreciável no valor de S. 
Quanto menor for o valor da constante de saturação 
Ks, tanto mais amplo será este patamar quase horizontar da 
curva e que se encontrará mais próximo do valor de µm. 
A curva apresentada pela velocidade específica de 
crescimento em função do tempo, poderá apresentar um 
trecho máximo constante (AB), após um curto período inicial 
de transição ou adaptação do M.O ao meio. 
A duração do patamar (AB) dependerá da magnitude 
da constante de saturação. 
 
Outros modelos (pág 131) 
Nenhum outro modelo proposto leva em 
consideração o fenômeno da inibição. A ausência da inibição 
é uma situação incomum na prática, onde há um crescente 
acúmulo de metabólitos que acabam interferindo sobre o 
metabolismo e crescimento microbiano. Problema que 
poderia ser atenuado se fosse utilizado um valor inicial baixo 
da concentração de substrato e que assim resultasse em 
baixas concentrações de produtos inibidores; alternativa 
pouco interessante do ponto de vista industrial onde baixas 
concentrações de produtos acarretariam custos elevados, na 
fase posterior de separação e purificação da substância de 
interesse. 
 Nessas condições, a inibição pelo substrato é um 
fenômeno que não deve ser ignorado.