Crescimento Microbiano

Crescimento Microbiano

Como discutido nos níveis azul/verde deste capítulo as células microbianas utilizam nutrientes para crescimento, produção de energia e formação de produtos como indicado na expressão a seguir;

Nutrientes + células microbianas > Crescimento celular + energia + produtos de reação

Considerar o funcionamento do sistema “Batch” mostrado na Figura 1. Este recipiente contém inicialmente uma concentração conhecida do substrato de crescimento S. O recipiente está bem misturado e portanto a concentração de oxigênio dissolvido O2 não se torna um fator limitante para o crescimento microbiano. Inicialmente é adicionada ao recipiente uma concentração conhecida X de células microbianas viáveis (i.e. inóculo) e, com o tempo, o substrato de crescimento S é utilizado para o crescimento celular. Assim, com o tempo, vamos observar uma diminuição em S (dS/dt negativo) e um aumento correspondente em X (dX/dt positivo).

Permissões

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Figura 1. Crescimento microbiano e utilização do substrato em um recipiente de lote bem misturado.

Um gráfico conceitual de concentração de células microbianas versus tempo para o sistema de lote é chamado de curva de crescimento, como mostrado na Figura 2.

Permissões

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Figura 2. Curva de crescimento típica para um sistema batch.

Traçando o log de concentração de células viáveis, X, com o tempo, cinco fases distintas da curva de crescimento podem ser identificadas; 1) a fase de atraso que ocorre imediatamente após a inoculação e persiste até que as células se aclimatam ao seu novo ambiente, 2) a fase de crescimento exponencial, durante a qual o crescimento celular prossegue a uma taxa exponencial (indicada por uma linha reta no gráfico semi-log), 3) uma fase de desaceleração, quando nutrientes essenciais se esgotam ou produtos tóxicos começam a se acumular, 4) uma fase estacionária, durante a qual o crescimento celular líquido é aproximadamente zero, e 5) fase de morte, onde algumas células perdem viabilidade ou são destruídas por lise.

Cinética de Crescimento Microbiano

Durante a fase de atraso dX/dt e dS/dt são essencialmente zero. Entretanto, como a fase de crescimento exponencial começa, é possível medir os valores dX/dt e dS/dt que são muito úteis para a definição de parâmetros cinéticos microbianos importantes. Usando as observações correspondentes de dS/dt e dX/dt obtidas logo após o início da fase de crescimento exponencial na Figura 2 podemos calcular o coeficiente de rendimento YXS e a taxa específica de crescimento µ as:

Coeficiente de rendimento

Custo de crescimento específico

O coeficiente de rendimento, comumente referido como o rendimento de substrato para biomassa, é usado para converter entre a taxa de crescimento celular dX/dt e a taxa de utilização do substrato dS/dt. O coeficiente de produção e a taxa de crescimento específica usada para desenvolver três tipos de relações cinéticas de crescimento microbiano; Monod , primeira ordem e cinética de ordem zero.

Monod Kinetics

O experimento de lote mostrado na Figura 1 pode ser repetido através da variação da concentração inicial do substrato S sobre uma ampla gama de valores-resultando na observação de valores de µ individuais que correspondem a cada concentração de substrato. Um gráfico aritmético de µ vs S exibirá o comportamento geral mostrado na Figura 3.

Permissões

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Figura 3. Taxa de crescimento específica plotada em relação à concentração inicial do substrato em um sistema em lote.

A expressão mais utilizada para descrever a taxa de crescimento específica em função da concentração do substrato é atribuída a Monod (1942, 1949). Esta expressão é:

Figura 4. Mostra conceitualmente como a equação de Monod é adequada ao substrato observado e aos dados específicos da taxa de crescimento na Figura 3. Na Figura 4 é visto que µmax é a taxa máxima de crescimento específico observada e KS é a concentração do substrato correspondente a 1/2 µmax.

Permissões

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Figura 4. A Equação de Monod se encaixa nos dados observados.

Monod Kinetics

Combinando as equações 2 e 3, podemos escrever a seguinte expressão para a taxa de variação temporal da biomassa:

Simplesmente, ao combinar as equações 1 e 3 podemos escrever uma expressão para a taxa de utilização do substrato.

Cinética de Primeira Ordem

Equação 5 descreve a relação cinética Monod para utilização do substrato. Da Figura 4 pode-se ver se S << KS , a Equação 5 pode ser aproximada como:

Equação 6 descreve a condição onde a utilização do substrato é proporcional à concentração do substrato (isto é, primeira ordem em relação a S).

Cinética de Ordem Zero

Likewise se S >9747>Equação 5 pode ser aproximada como:

Equação 7 descreve a condição onde a taxa de utilização do substrato é uma constante (ou seja, ordem zero em relação a S).