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UNIDADE 5 – CINÉTICA DOS 
PROCESSOS FERMENTATIVOS
PROFª MSC. PRISCILA KATERINE DE SOUZA
BIOQUÍMICA GERAL E APLICADA
FERMENTAÇÃO
• CONJUNTO DE REAÇÕES QUÍMICAS CONTROLADAS POR ENZIMAS PARA O CRESCIMENTO 
MICROBIANO;
• PROCESSO ANAERÓBICO; 
• CONDUZ À CISÃO PARCIAL DE MOLÉCULAS ORGÂNICAS (AÇÚCARES – GERALMENTE 
GLICOSE), RESULTANDO EM DISPONIBILIDADE ENERGÉTICA INFERIOR SE COMPARADA À 
RESPIRAÇÃO AERÓBIA;
• TEM GRANDE IMPORTÂNCIA ECONÔMICA, SENDO UTILIZADO NA FABRICAÇÃO DE 
ÁLCOOL COMBUSTÍVEL, DE BEBIDAS ALCOÓLICAS, PÃES E OUTROS ALIMENTOS.
TIPOS DE FERMENTAÇÃO
• A) FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA → SUBSTRATO: AÇÚCARES 
COMO GLICOSE; PRODUTO FINAL: ETANOL E O DIÓXIDO DE 
CARBONO;
• B) FERMENTAÇÃO LÁCTICA → SUBSTRATO: LACTOSE DO LEITE. 
PRODUTO FINAL: ÁCIDO LÁCTICO;
• C) FERMENTAÇÃO ACÉTICA → SUBSTRATO: ÁLCOOL ETÍLICO; 
PRODUTO FINAL: ÁCIDO ACÉTICO;
CONCEITOS IMPORTANTES:
• MOSTO: SOLUÇÃO OU MEIO QUE CONTÉM OS NUTRIENTES E SUBSTRATOS NECESSÁRIOS PARA 
A CULTURA DE MICRORGANISMOS SE REPRODUZIR;
• INÓCULO: SUSPENSÃO DE MICRORGANISMOS EM CONCENTRAÇÃO ADEQUADA PARA 
GARANTIR A FERMENTAÇÃO DE UM DADO VOLUME DE MOSTO;
• SUBSTRATO: COMPOSTO QUE PODE SER METABOLIZADO PELO MICRORGANISMOS;
• MATÉRIA-PRIMA: É O PRODUTO NATURAL QUE CONTÉM O SUBSTRATO UTILIZÁVEL PELO 
MICRORGANISMO;
MICRORGANISMOS E MEIOS PARA UTILIZAÇÃO 
INDUSTRIAL
•QUAIS AS CARACTERÍSTICAS 
DESEJÁVEIS EM 
MICRORGANISMOS E MEIOS 
DE CULTURA PARA OPERAÇÃO 
EM BIORREATORES DE 
GRANDES VOLUMES?
• CARACTERÍSTICAS DESEJÁVEIS EM MICRORGANISMOS:
• NÃO SER PATOGÊNICO;
• APRESENTAR ELEVADA EFICIÊNCIA NA CONVERSÃO DO SUBSTRATO EM 
PRODUTO;
• NÃO EXIGIR CONDIÇÕES DE PROCESSO MUITO COMPLEXAS;
• NÃO EXIGIR MEIO DE CULTURA CAROS;
• APRESENTAR CONSTÂNCIA QUANTO AO COMPORTAMENTO 
FISIOLÓGICO;
• PERMITIR A RÁPIDA LIBERAÇÃO DO PRODUTO PARA O MEIO, ETC.
MICRORGANISMOS E MEIOS PARA UTILIZAÇÃO 
INDUSTRIAL
MICRORGANISMOS E MEIOS PARA UTILIZAÇÃO 
INDUSTRIAL
• OBTENÇÃO DE MICRORGANISMOS DE INTERESSE:
• ISOLAMENTO A PARTIR DE RECURSOS NATURAIS
• COMPRA EM COLEÇÕES DE CULTURAS
• MUTANTES INDUZIDOS POR MÉTODOS CONVENCIONAIS
• MICRORGANISMOS RECOMBINANTES POR ENGENHARIA GENÉTICA
MICRORGANISMOS E MEIOS PARA UTILIZAÇÃO 
INDUSTRIAL
• COLEÇÕES DE CULTURAS: HTTP://WWW.CCT.ORG.BR
http://www.cct.org.br/
MICRORGANISMOS E MEIOS PARA UTILIZAÇÃO 
INDUSTRIAL
• CARACTERÍSTICAS DE MEIOS PARA FERMENTAÇÕES INDUSTRIAIS
• REQUER INVESTIGAÇÃO DETALHADA → ESTÁGIO ESSENCIAL POIS PODE AFETAR 
O PROJETO DO BIORREATOR (FORMAS DE CONDUÇÃO)!
• ÁGUA
• FONTES DE ENERGIA
• CARBONO
• NITROGÊNIO
• MINERAIS
• VITAMINAS
• OXIGÊNIO (CASO SEJA AERÓBICO)
MICRORGANISMOS E MEIOS PARA UTILIZAÇÃO 
INDUSTRIAL
• O MEIO DEVE ATENDER AO MÁXIMO OS SEGUINTES CRITÉRIOS:
• MÁXIMO RENDIMENTO DE PRODUTO/GRAMA DE SUBSTRATO UTILIZADO
• MÁXIMA CONCENTRAÇÃO DE PRODUTO OU BIOMASSA
• MÁXIMA TAXA DE FORMAÇÃO DE PRODUTO
• RENDIMENTO MÍNIMO EM PRODUTOS INDESEJADOS
• TER QUALIDADE E PRONTAMENTE DISPONÍVEL DURANTE O ANO TODO
• TER POUCOS PROBLEMAS DURANTE O PREPARO E ESTERILIZAÇÃO
• CAUSAR POUCOS PROBLEMAS QUANTO À AERAÇÃO, AGITAÇÃO, EXTRAÇÃO, 
PURIFICAÇÃO E TRATAMENTO DE EFLUENTES
MICRORGANISMOS E MEIOS PARA UTILIZAÇÃO 
INDUSTRIAL
• EXEMPLOS DE SUBSTRATOS MUITO USADOS
• FONTES DE CARBONO
• MELAÇO DE CANA
• MELAÇO DE BETERRABA
• GRÃOS DE CEREAIS
• AMIDO → MILHO
• GLICOSE
• SACAROSE
• LACTOSE
MICRORGANISMOS E MEIOS PARA UTILIZAÇÃO 
INDUSTRIAL
• EXEMPLOS DE SUBSTRATOS MUITO USADOS
• FONTES DE NITROGÊNIO
• SAIS DE AMÔNIO
• UREIA
• NITRATOS
• FARELO DE SOJA
• RESÍDUOS DE ABATEDOURO
• RESÍDUOS DE FERMENTAÇÕES
MICRORGANISMOS E MEIOS PARA UTILIZAÇÃO 
INDUSTRIAL
• FORMULAÇÃO DE MEIOS – COMPOSIÇÃO ELEMENTAR:
Elemento Bactérias Leveduras Fungos 
C 50 – 53 45 – 50 40 – 63
H 7 7 nd
N 12 – 15 7,5 – 11 7 – 10
P 2 – 3 0,8 – 2,6 0,4 – 4,5
S 0,2 – 1,0 0,01 – 0,24 0,1 – 0,5
K 1,0 – 4,5 1 – 4 0,2 – 2,5
Na 0,5 – 1,0 0,01 – 0,1 0,02 – 0,5
Ca 0,01 – 1,1 0,1 – 0,3 0,1 – 1,4
Mg 0,1 – 0,5 0,1 – 0,5 0,1 – 0,5
Cl 0,5 - -
Fe 0,02 – 0,2 0,01 – 0,5 0,1 – 0,2
Aiba, S., Humphery, A.E. and Mills, N.F. (1973) Biochemical Engineering. 2nd Edition, Academic Press, New York, 239-344.
MICRORGANISMOS E MEIOS PARA UTILIZAÇÃO 
INDUSTRIAL
• FORMULAÇÃO DE MEIOS – COMPOSIÇÃO ELEMENTAR:
Elemento Bactérias Leveduras Fungos 
C 50 – 53 45 – 50 40 – 63
H 7 7 nd
N 12 – 15 7,5 – 11 7 – 10
P 2 – 3 0,8 – 2,6 0,4 – 4,5
S 0,2 – 1,0 0,01 – 0,24 0,1 – 0,5
K 1,0 – 4,5 1 – 4 0,2 – 2,5
Na 0,5 – 1,0 0,01 – 0,1 0,02 – 0,5
Ca 0,01 – 1,1 0,1 – 0,3 0,1 – 1,4
Mg 0,1 – 0,5 0,1 – 0,5 0,1 – 0,5
Cl 0,5 - -
Fe 0,02 – 0,2 0,01 – 0,5 0,1 – 0,2
Aiba, S., Humphery, A.E. and Mills, N.F. (1973) Biochemical Engineering. 2nd Edition, Academic Press, New York, 239-344.
PROCESSO 
FERMENTATIVO 
GENÉRICO
PROCESSO FERMENTATIVO GENÉRICO
Microrganismo Ativação
(multiplicação)
Inóculo
(pré-fermentação)
Produção
(fermentação)
Separação
Purificação
Produtos
Sub-produtos
Meio esterilizado
Pré-tratamentos:
.conversão enzimática
.esterilização
Matéria-prima:
.agrícola
.química
Aplicação direta
Aplicação direta
AMPLIAÇÃO DA ESCALA DO PROCESSO
Laboratório
Piloto
Industrial
Dados
cinéticos
Laboratório: Isolamento/seleção do 
microrganismo; Definição do meio de cultivo 
ideal
Estudo cinético detalhado: Definição do pH, 
T e Kla
Escala piloto: Opera-se o biorreator em 
condições similares às definidas nas etapas 
anteriores;
Definição da forma de operação (condução 
– cálculo do bioreactor, agitação, 
aeração…); Definição do critério de 
ampliação de escala e ajustes se 
necessários;
Escala industrial!
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• A CINÉTICA DO CRESCIMENTO MICROBIANO PERMITE O CONHECIMENTO DAS 
CONDIÇÕES FAVORÁVEIS PARA CONDUZIR E CONTROLAR OS PROCESSOS 
FERMENTATIVOS.
• SÃO DOIS OS OBJETIVOS DA CINÉTICA DO CRESCIMENTO MICROBIANO:
• MEDIR AS VELOCIDADES DE TRANSFORMAÇÕES QUE OCORREM DURANTE 
OS PROCESSOS FERMENTATIVOS, COMO O CONSUMO DE SUBSTRATOS, 
ACÚMULO DE PRODUTOS E DE BIOMASSAS;
• ESTUDAR A INFLUÊNCIA DE FATORES COMO A TEMPERATURA, PH, ÁGUA, 
OXIGÊNIO, ETC.
• OU SEJA, É A COMPARAÇÃO QUANTITATIVA ENTRE DIFERENTES CONDIÇÕES 
DE CULTIVO!
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• O PROCESSO FERMENTATIVO CONSISTE NUMA COMPLEXA TRANSFORMAÇÃO DE NUTRIENTES DE 
UM MEIO DE CULTURA, PELA AÇÃO METABÓLICA DOS MICRORGANISMOS PRESENTES, EM 
PRODUTOS E MAIS CÉLULAS MICROBIANAS:
COMPONENTES OBSERVADOS:
Microrganismos → [X]
Produtos do metabolismo → [P]
Nutrientes ou substrato → [S]
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• PARÂMETROS ANALISADOS:
• VELOCIDADES INSTANTÂNEAS DE TRANSFORMAÇÃO
• VELOCIDADES ESPECÍFICAS DE TRANSFORMAÇÃO
• FATORES DE CONVERSÃO
• PRODUTIVIDADES TOTAIS E MÁXIMAS
• VELOCIDADE ESPECÍFICA MÁXIMA (DE CRESCIMENTO)
• TEMPO DE GERAÇÃO (OU DE DUPLICAÇÃO)
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• VELOCIDADES (TAXAS) INSTANTÂNEAS DE TRANSFORMAÇÃO:
• VELOCIDADE DE CRESCIMENTO DO MICRORGANISMO, CONSUMO DO SUBSTRATO E FORMAÇÃO 
DO PRODUTO EM UM TEMPO “T”.
Células Substrato Produto
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• VELOCIDADES (TAXAS) INSTANTÂNEAS DE TRANSFORMAÇÃO:
• TAIS VALORES PODEM SER CALCULADOS PELO MÉTODO DAS INCLINAÇÕES DAS TANGENTES ÀS 
RESPECTIVAS CURVAS. 
S P
X
tempo (h)
[C
] 
(g
/l
) dX/dt
dS/dt dP/dt
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• VELOCIDADES (TAXAS) ESPECÍFICAS DE TRANSFORMAÇÃO:
• CONCENTRAÇÃO MICROBIANA [X] AUMENTA/VARIA COM O TEMPO → É MAIS LÓGICO ANALISAR 
OS VALORES DAS VELOCIDADES INSTANTÂNEAS COM RELAÇÃO À CONCENTRAÇÃO MICROBIANA, 
OU SEJA, ESPECIFICANDO-AS COM RELAÇÃO AO VALOR DE X EM DADO INSTANTE → VELOCIDADE 
ESPECÍFICAS ()
Células ( ou X) 
Substrato (S)
Produto (P)
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• VELOCIDADES (TAXAS) ESPECÍFICAS DE TRANSFORMAÇÃO:
• CONCENTRAÇÃO MICROBIANA [X] AUMENTA/VARIA COM O TEMPO → É MAIS LÓGICO ANALISAR 
OS VALORES DAS VELOCIDADES INSTANTÂNEAS COM RELAÇÃO À CONCENTRAÇÃO MICROBIANA, 
OU SEJA, ESPECIFICANDO-ASCOM RELAÇÃO AO VALOR DE X EM DADO INSTANTE → VELOCIDADE 
ESPECÍFICAS ()
Células ( ou X) 
Substrato (S)
Produto (P)
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• FATORES (RENDIMENTO) DE CONVERSÃO:
• SUBSTRATO EM CÉLULAS (YX/S) → QUANTO DE S ESTÁ SENDO CONSUMIDO 
PARA O CRESCIMENTO
Unidade: g/g ou %
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• FATORES (RENDIMENTO) DE CONVERSÃO:
• SUBSTRATO EM PRODUTO (YP/S) → QUANTO DE S ESTÁ SENDO CONVERTIDO 
EM P 
Unidade: g/g ou %
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• PRODUTIVIDADES TOTAIS E MÁXIMAS:
• INTERESSE PRÁTICO NA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE UM PROCESSO;
• PRODUTIVIDADE TOTAL EM BIOMASSA (PX OU QX)→ VELOCIDADE MÉDIA DE CRESCIMENTO 
REFERENTE AO TEMPO TOTAL OU FINAL (TF) DE FERMENTAÇÃO.
• PRODUTIVIDADE TOTAL EM PRODUTO (PP OU QP) → VELOCIDADE MÉDIA DE FORMAÇÃO 
DO PRODUTO REFERENTE AO TEMPO TOTAL OU FINAL (TF) DE FERMENTAÇÃO.
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• PRODUTIVIDADE MÁXIMA EM BIOMASSA (QX’)→ VELOCIDADE MÉDIA DE CRESCIMENTO 
REFERENTE AO TEMPO EM QUE A CONCENTRAÇÃO DE CÉLULAS É MÁXIMA.
• PRODUTIVIDADE MÁXIMA EM PRODUTO (QP’)→ VELOCIDADE MÉDIA DE FORMAÇÃO DO 
PRODUTO REFERENTE AO TEMPO EM QUE A CONCENTRAÇÃO DE PRODUTO É MÁXIMO.
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• PRODUTIVIDADES TOTAIS E MÁXIMAS:
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• A LEVEDURA PICHIA STIPITIS É CAPAZ DE METABOLIZAR A XILOSE E PRODUZIR
ETANOL. EM CULTIVO DESCONTÍNUO, EM CONDIÇÕES DE MICROAERAÇÃO,
OBTEVE-SE OS RESULTADOS DE CONCENTRAÇÃO DE SUBSTRATO, ETANOL E
CÉLULAS REPORTADOS NA TABELA ABAIXO.
Tempo (h) X (g/l) Xilose (g/l) Etanol (g/l)
0 0.01 44.9 0
11 0.095 44.1 0
18 0.209 42.9 0
27 0.660 41.3 0.86
36 0.909 38.3 1.91
45.5 1.360 34.8 3.53
54 1.73 30.5 5.37
65 2.42 24.6 7.6
79 2.85 15.2 10.8
96 3.72 6.12 13.9
108 4.12 1.8 14.2
120 3.72 0.99 14.2
Com base nesses dados:
a) Calcular os fatores de 
conversão globais (observados) de 
substrato em células e em etanol.
b) Calcular as produtividades 
totais e máximas em células e em 
etanol.
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• VELOCIDADE ESPECÍFICA MÁXIMA (DE CRESCIMENTO):
• FASE EXPONENCIAL → VELOCIDADE ESPECÍFICA DE CRESCIMENTO É 
CONSTANTE E MÁXIMA ( X = MÁX)
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• VELOCIDADE ESPECÍFICA MÁXIMA (DE CRESCIMENTO):
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• TEMPO DE GERAÇÃO (OU DE DUPLICAÇÃO):
• TEMPO PARA DUPLICAR A POPULAÇÃO MICROBIANA
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• MODELO DE MONOD:
• RELACIONOU  COM CONCENTRAÇÃO DE SUBSTRATO NO MEIO:
• KS – CONSTANTE DE UTILIZAÇÃO DE SUBSTRATO (OU DE SATURAÇÃO)
• IGUAL À [S] QUANDO  É 0,5 MÁX
SK
S
s
max
+

=
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• MODELO DE MONOD:
Ta
x
a
 e
sp
e
cí
fi
ca
 d
e
 c
re
sc
im
e
n
to
 (

)
Concentração de substrato limitante
máx
Fase exponencial
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• MODELO DE MONOD:
• SE KS É PEQUENO – ALTA AFINIDADE PELO SUBSTRATO
• FASE EXPONENCIAL SE ALONGA
• SE KS É GRANDE – BAIXA AFINIDADE PELO SUBSTRATO
• FASE EXPONENCIAL PEQUENA
CINÉTICA DOS PROCESSOS FERMENTATIVOS 
• MODELO DE MONOD:
• DETERMINAÇÃO DE MÁX E KS
• IDÊNTICO À CINÉTICA ENZIMÁTICA!!!
• LINEARIZAÇÃO DE LINEWEAVER-BURK
EXERCÍCIOS!!!