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Cinética Microbiana
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Hidrólise
Glicose Piruvato
8 ATP
Ciclo de Krebs30 ATP
CO2 O2
Produtos de Fermentação( lactato, álcoois, ácidos, etc.)
6 ATP
Respiração Aeróbia
Respiração Anaeróbia(CO2, SO4
2-, NO3-)
Figura 1: Esquema simplificado de processos aeróbios e anaeróbios
Sacarose
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• Processos aeróbios: oxigênio como aceptor final de elétrons;
• Processos anaeróbios:
• Fermentativos: Utilizam produtos da degradação do substrato.
Rendimento Energético
Processos aeróbios > Processos anaeróbios
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BALANÇO ENERGÉTICO NA RESPIRAÇÃO
100g de Açúcar 380 kcal(100%)
47g Biomassa
264g de CO2
Calor212 kcal(56%)
ATP168 kcal(44%)
O2 108 g de
H2O
38ATP
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BALANÇO ENERGÉTICO NA FERMENTAÇÃO
100g de Açúcar 380 kcal(100%)
51,1g de Álcool380 kcal(100%)
48,9g de CO2
Calor380 kcal(4,6%)
ATP9 kcal(2,4%)
1-5 g de Biomassa
2ATP
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Estudo Cinético
Processo obedece ao princípio de conservação da matéria
Substrato
Síntese Manutenção
Fonte de Nitrogênio
Elementos minerais: Fósforo, enxofre, cobre, cácio, etc.
CCWWHHXXOOYYNNZZ+aO+aO22+bH+bHggOOhhNNii cCH cCHjjOOkkNN11+dCO+dCO22+eH+eH22O+fCO+fCmmHHppOOqqNNrr
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Estudo Cinético
Processo obedece ao princípio de conservação da matéria
CCWWHHXXOOYYNNZZ+aO+aO22+bH+bHggOOhhNNii cCH cCHjjOOkkNN11+dCO+dCO22+eH+eH22O+fCO+fCmmHHppOOqqNNrr
Carbono: w=c+d+fmHidrogênio: x+bg=cj+2e+fpOxigênio: y+2a+bh=ck+2d+e+fgNitrogênio: z+bi=cl+fr
A composição da fonte de carbono, em principio é conhecida;A composição da média da biomassa, também é conhecida;Portanto resultam: quatro equações
seis incógnitasComo prosseguir?Quando se pretende produzir biomassa o número de incógnitas se reduz a cinco;O quociente d/a=quociente respiratório é um dado experimental;
Assim o sistema com quatro equações permite determinar os coeficientes estequíométricos a, b, c, d, e
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Estudo Cinético
Processo obedece ao princípio de conservação da matéria
Substrato
Síntese Manutenção
Fonte de Nitrogênio
Elementos minerais: Fósforo, enxofre, cobre, cácio, etc.
CCWWHHXXOOYYNNZZ+aO+aO22+bH+bHggOOhhNNii cCH cCHjjOOkkNN11+dCO+dCO22+eH+eH22O+fCO+fCmmHHppOOqqNNrr
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ESTEQUIOMETRIA
• GRAU DE REDUÇÃO: número de moles de eltrons disponíveis por átomo grama de carbono para serem transferidos para o oxigênio
Considera-se H, como unidade de potencial de redox;(C, O, N, S, P) = (+4, -2, -3, 6, 5)Define-se um composto neutro para cada elemento:Carbono: (CO2)Oxigênio: (H2O)Nitrogênio:(NH3)Enxofre: H2SO4
Fósforo: H3PO4
O grau de redução da fonte de carbono da biomassa e do produto pode ser calculado por:
ys=(4w+x-2y-3z)/wyb=4+j-2k-3lyp=(4m+p-2q-3r)/m
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Métodos para avaliação de crescimento de microrganismos
Fisiologia do microrganismo!
Métodos Diretos
• Determinação da concentração celular
• Contagem no microscópio;
• Contagens com cultura;
• Contagem eletrônica.Não se aplicam a m.o. filamentosos
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Figura 2: Contagem em Câmara de Neubauer
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Figura 3: Contagem de Células Viáveis em placas
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• Determinação da biomassa microbiana
• Matéria seca;
• Medidas óticas.
Figura 4: Separação de células por filtração
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Métodos Indiretos
• Constituintes celulares (ATP, DNA, NADH);
• Dosagem de elementos do meio de cultura (substrato, consumo de
O2, propriedades reológicas do meio de cultura, entre outros.
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Processo Fermentativo
Fermentador
Microrganismo
Preparo do inóculo
Nutrientes
Preparo do meio
Esterilização do meio
Controles
Esterilização do ar Recuperação do produto
Ar
Tratamento de efluente
Produto
Resíduo
Figura 5: Etapas de um processo fermentativo
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Obtenção de uma curva de crescimento para um M.O.
Figura 6: Processo para obtenção de uma curva de crescimento
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Con
cent
raçã
o (g
/L)
Tempo de Cultivo (h)
Biomassa
Produto
Substrato
Figura 7 : Curvas de crescimento de biomassa, consumo de substrato e formação produto
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Curva de crescimento
Condições favoráveis ao microrganismo
Figura 8: Curva típica de crescimento bacteriano
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• Fase lag
• Rearranjo do sistema enzimático (síntese de enzimas);
• Traumas físicos (choque térmico, radiação, entre outros);
• Traumas químicos (produtos tóxicos, meio de cultura).
Não há variação da concentração de biomassa no tempo,
portanto:XocteX
Xo = concentração celular no tempo t =0
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• Fase log ou exponencial
• Células plenamente adaptadas;
• Velocidades de crescimento elevadas;
• Consumo de substrato;
• Interesse prático.
• Fase de redução de velocidade
• Diminuição da concentração de substrato limitante;
• Acúmulo de produto(s) no meio
•
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• Fase estacionária
• Término do substrato limitante;
• Acúmulo de produtos tóxicos;
• Concentração celular constante em seu valor máximo.
• Fase de declínio
• Redução do crescimento celular;
• Consumo de material intracelular (lise).
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Dispondo de um conjunto de dados experimentais de X,
S e P em função do tempo tem-se:
dt
dp
dt
ds
dt
dxpsx ;;
Crescimento Consumo Formação
Não são os melhores parâmetros para se
avaliar o estado em que se encontram o
sistema.
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Velocidades específicas:
• Crescimento: dt
dX
X
1
• Consumo de substrato:dt
dS
Xs
1
• Formação de produto: dt
dP
Xp
1
Distribuindo os dados da fase exponencial em
coordenadas semilogarítmicas, tem-se:
dt
dX
Xdt
Xd 1)ln(
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Como essa fase tem a distribuição de uma reta a velocidade específica de crescimento é constante e máxima.
)(loglog 0 imi ttXX
X0i= Concentração celular no instante de início da fase exponencial
Rearranjando a equação anterior:
)(0
titi
meXX
Ou, re-escrevendo de outra forma, tem-se:
tXX mi 0lnln
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Assim, pode-se obter o tempo de duplicação da biomassa,
onde X=2X0i:
m
Tdup
2ln
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Fator de conversão de substrato a células
SS
XXY SX
0
0/
X0= Concentração celular inicial
X= Concentração celular no instante t
S0= Concentração inicial do substrato
S= Concentração residual do substrato no instante t.
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Este parâmetro é importante para a determinação de X em
cultivo de fungos filamentosos e em processos de
tratamento de efluentes.
O fator de conversão pode ser obtido também através de:
SSXY
/
Coeficiente de Manutenção
SXSS Ym
/'
Velocidade específica de consumo de substrato para manutenção da viabilidade celular
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Produtividade
F
F
T
XXP 0
X0= Biomassa inicial;
XF= Biomassa final;
TF= Tempo total de cultivo.
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