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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOSCentro de Ciências Agrárias – campus Araras

Prof. Jorge José Corrêa LopesUFSCar/DTAiSER/CCA – campus de Araras/SP

e-mail: jlopes@cca.ufscar.br

METABOLISMO DE LEVEDURAS EA FERMENTAÇÃO ETANÓLICA

II CURSO DE MONITORAMENTO TEÓRICO E PRÁTICO DA FERMENTAÇÃO ETANÓLICA

UNESP - UFSCAR

5-10µm

LEVEDURA – AGENTE DA FERMENTAÇÃO

LEVEDURAS

•• MORFOLOGIAUNICELULARES, FREQUENTEMENTES OVAIS, ARREDONDADAS OU ELÍPTICAS.

COMPRIMENTO: 5 - 16 µ

LARGURA: 3 – 7 µ

AFETADAS POR DEFICIÊNCIAS DE NUTRIENTES ( P, Mg, Mn, Zn, etc.) E VITAMINAS (BIOTINA, NIACINA, ÁCIDO PANTOTÊNICO E PIRAMIDINA).

TAMANHO: 5 VEZES MAIORES QUE AS BACTÉRIAS: PERMITE CENTRIFUGAÇÃO E CONTAGEM DIRETA (NEUBAUER).

VACÚOLO

MITOCÔNDRIAS(CRESCIMENTO)

APARELHODE GOLGI

CITOPLASMA(FERMENTAÇÃO)

NÚCLEO

RETÍCULO

CICATRIZ

MEMBRANAPLASMÁTICA

(TREALOSE)

A CÉLULA DE LEVEDURA

PAREDE CELULAR: 30% DO PESO SECO DA CÉLULA.

• COMPOSIÇÃO: POLÍMEROS DE GLUCANA (CELULOSE), MANANA (GOMAS), QUITINA, LIPÍDEOS, FOSFATOS E ESTERÓIDES.

• ASPECTO: POROSO (FILTROS)/SELETIVIDADE; PROPRIEDADES PARA SUBSTÂNCIAS < QUE 4.800 (PM) ATÉ SÍTIO DE ABSORÇÃO.

• ENZIMAS EXTRACELULARES: INVERTASE, MELIBIASE, GLUCOAMILASE etc. (TRANSLOCAÇÃO E DESDOBRAMENTO DAS FONTES DE ENERGIA PARA O CITOPLASMA).

MEMBRANA CITOPLASMÁTICA OU PLASMALEMA.

• LOCALIZADA ABAIXO DA PAREDE CELULAR DELIMITA EM SEU INTERIOR TODAS AS MICROESTRUTURAS E O HIALOPLASMA.

• INTEGRIDADE E ESTABILIDADE: CÁTIONS INORGÂNICOS – Mg2+ ,Ca2+ e K+.

• PERMEABILIDADE SELETIVA: CONTROLE DE TRANSLOCAÇÃO DE COMPOSTOS DO MEIO EXTERNO PARA O INTERNO DA CÉLULA E VICE-VERSA.

RETÍCULO ENDOSPLASMÁTICO: SÍNTESE DE PROTEÍNAS.

VACÚOLO :

MEMBRANA VACUOLAR: NATUREZA LIPOPROTEICA.

ARMAZENAMENTO TEMPORÁRIO DE POLIFOSFATOS, LIPÍDEOS E ENZIMAS.

MITOCONDRIA: PEQUENAS ORGANELAS COM MEMBRANAS UPLAS COM INVAGINAÇÕES INTERNAS (“CRISTAS”).

• FUNÇÃO: CONVERSÃO DE ENERGIA (ATP) E SÍNTESES DE PROTEÍNAS E RNA.

RIBOSSOMOS: SÍNTESE PROTEICA (OCORRE NO CITOPLASMA).

NUTRIENTES DE RESERVA: CARBOIDRATOS E LIPÍDEOS.

NÚCLEO: DESOXIRIBONUCLEOPROTEÍNASE RIBONUCLEOPROTEÍNAS.

BROTAMENTO OU GEMULAÇÃO: MULTIPLICAÇÃO VEGETATIVA (ASSEXUADA).

ESPORULAÇÃO: FORMAÇÃO DE ASCOS - SEXUADA (SOB ESTRESSE).

REPRODUÇÃO EM LEVEDURAS

METABOLISMO DAS LEVEDURAS

CATABOLISMO ANABOLISMO

DEGRADAÇÃO DO SUBSTRATO

(FERMENTAÇÃO E RESPIRAÇÃO)SÍNTESE DE MATERIAL CELULAR

LIBERAÇÃ0 DE ENERGIA (ATP) ENERGIA PARA SÍNTESE

CÉLULAS TOTAIS

1 - LAG-FASE

2 – FASE DE ACELERAÇÃO DO CRESCIMENTO

3 – LOG-FASE OU EXPONENCIAL DE CRESCIMENTO

4 – FASE DE DESACELERAÇÃO DO CRESCIMENTO

5 – FASE ESTACIONÁRIA

6 – FASE DE DECLÍNIO

1 - LAG-FASE: ADAPTAÇÃO, RESCONSTITUIÇÃO ENZIMÁTICA, DEGRADAÇÃO MACROMOLECULAR, ETC. É FUNÇÃO DE:

• LINHAGEM DA LEVEDURA;

• IDADE DO CULTIVO ANTES D TRANSFERÊNIA PARA O MEIO;

• COMPOSIÇÕES DOS MEIOS DE CULTICO ANTERIOR E NOVO.

FASES DE CRESCIMENTO DE CÉLULAS DE LEVEDURAS

2 – FASE DE ACELERAÇÃO: AUMENTO GRADUAL DA VELOCIDADE DE MULTIPLICAÇÃO CELULAR.

FASES DE CRESCIMENTO DE CÉLULAS DE LEVEDURAS

3 – FASE EXPONENCIAL: AUMENTO EXPONENCIAL DO NÚMERO DECÉLULAS. CADA CÉLULA SE DIVIDE A INTERVALOS CONSTANTDE TEMPO. CARACTERZA-SE POR:

AUMENTO EXPONECIAL DO NÚMERO DE CÉLULAS;

• INTENSO METABOLISMO CELULAR;

• GRANDE QUANTIDADE DE PRODUTOS DE EXCREÇÃO, METABÓLITOS INTERMEDIÁRIOS, TEMPERATURAS E OUTROS FATORES QUE ALTERAM RAPIDAMENTE A COMPOSIÇÃO DO MEIO;TEMPO DESTA FASE É CONTROLADA PELA COMPOSIÇÃO E ESTADO FÍSCO DO MEIO E DEPENDE DO NÚMERO DE CÉLULAPOR UNIDADE DE VOLUME E ACÚMULO DE METABÓLITOS E PRODUTOS FINAIS (INIBIDORES);

• A QUANTIIDADE DE INÓCULO NÃO INFLUENCIA O TEMPO DE GERAÇÃONA FASE EXPONENCIAL, MAS RETARDA A FASE DE MULTIPLICAÇÃO CELULAR.

FASES DE CRESCIMENTO DE CÉLULAS DE LEVEDURAS

4 – FASE ESTACIONÁRIA: O NÚMERO DE CÉLULAS PERMANECE QUASE QUE CONSTANTEPOR UM PERÍODO DE TEMPO; HÁ BAIXO CONSUMO DE ENERGIA, MANUTENÇAO DA VIABILIDADE CELULAR ATÉESGOTAMENTO DOS NUTRIENTES. É INFULENCIADA POR;

• ESGOTAMENTO DE NUTRIENTES DO MEIO;• ACÚMULO DE PRODUTOS FINAIS TÓXICOS.

5 – FASE DE DECLÍNIO: O NÚMERO DE CÉLULAS QUE MORRE EXCEDE O DE CÉLULAS NOVAS, QUE É FUNÇÃO DE:

• COMPOSIÇÃO DO MEIO (ESGOTAMENTO DO MEIO, ACÚMULO DE PRODUTOS FINAIS,ETC);

• CONDIÇÕES FÍSICAS E QUÍMICAS DO MEIO( pH, TEMPERATURA,ETC)

METABOLISMO DAS LEVEDURAS

RESPIRAÇÃO: OXIDAÇÃO BIOLÓGICA DE SUBSTRATOS ORGÂNICOS QUE ENVOLVE UM SISTEMA MULTIENZIMÁTICO E O TRANSPORTE DE ELÉTRONS PELA CADEIA RESPIRATÓRIA (STE), RESULTANDO NA FORMAÇÃO DE H2O.

FERMENTAÇÃO: REAÇÕES EM QUE COMPOSTOS ORGÂNICOS ATUAM COMO SUBSTRATOS E COMO AGENTES DE OXIDAÇÃO, EM UMA SEQUÊNCIA ORDENADA DE REAÇÕES ENZIMÁTICAS.

METABOLISMO DAS LEVEDURAS

DESENVOLVIMENTO DAS LEVEDURAS

CRESCIMENTO POPULACIONAL:

• SUPRIMENTO DE NUTRIENTES

• COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO MEIO

• COMPOSIÇÃO FÍSICA DO MEIO

• CONSTITUIÇÃO E ESTÁGIO DE DESENVOLVIMENTO DOS MICROORGANISMOS

DESENVOLVIMENTO DAS LEVEDURAS

É FUNÇÃO DE:

• CONDIÇÕES DO MEIO

• NUTRIENTES E ACIDEZ

• AERAÇÃO E AGITAÇÃO

• TEMPERATURA

OBJETIVO DA LEVEDURA

REPRODUZIR-SE (CRESCIMENTO) PARA A

PERPETUAÇÃO DA ESPÉCIE.

O CRESCIMENTO EM ANAEROBIOSE OBRIGA

A LEVEDURA A PRODUZIR ETANOL E CO2.

A ESCOLHA DO ETANOL FOI FRUTO DE BILHÕES

DE ANOS DE EVOLUÇÃO, PERMITINDO À

LEVEDURA MAIOR COMPETITIVIDADE FRENTE A

OUTROS ORGANISMOS (AÇÃO ANTISSÉPTICA).

OBJETIVO DA LEVEDURA

TRANSFORMANDO O AÇÚCAR EM ÁLCOOL A LEVEDURA OBTÉM A ENERGIA (ATP) E MATERIAL NECESSÁRIOS À SOBREVIVÊNCIA E CRESCIMENTO.

ÁLCOOL E GÁS CARBÔNICO SÃO PRODUTOS DE EXCREÇÃO, SEM UTILIDADE METABÓLICA PARA A LEVEDURA EM ANAEROBIOSE.

A FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA

TRANSFORMAÇÃO DO AÇÚCAR EM ÁLCOOL PELAS LEVEDURAS.

NA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA A LEVEDURA PRODUZ ETANOL E CO2 EM CONDIÇÕES DE ANAEROBIOSE (EFEITO PASTEUR).

C6 H12 O6 C2H5 OH + CO2

GLICOSE ETANOL GÁS CARBÔNICO

ENERGIA (ATP)

BIOMASSA

PRODUTOS SECUNDÁRIOS

FORMAÇÃO DE BIOMASSA EM AEROBIOSE

FORMAÇÃO DE BIOMASSA EM ANAEROBIOSE

CINÉTICA DE CRESCIMENTO DE LEVEDURAS

•• O ESTUDO DA CINO ESTUDO DA CINÉÉTICA DE CULTIVOS TICA DE CULTIVOS MICROBIANOS ESTMICROBIANOS ESTÁÁ VOLTADO PARA VOLTADO PARA DOIS GRANDES OBJETIVOS:DOIS GRANDES OBJETIVOS:

•• MEDIR VELOCIDADES DE TRANSFORMAMEDIR VELOCIDADES DE TRANSFORMAÇÇÕES ÕES QUE OCORREM DURANTE OS PROCESSOS QUE OCORREM DURANTE OS PROCESSOS FERMENTATIVOS: COMO CONSUMO DE FERMENTATIVOS: COMO CONSUMO DE SUBSTRATOS, ACSUBSTRATOS, ACÚÚMULO DE PRODUTOS E MULO DE PRODUTOS E BIOMASSAS.BIOMASSAS.

•• ESTUDAR A INFLUÊNCIA DE FATORES NAS ESTUDAR A INFLUÊNCIA DE FATORES NAS VELOCIDADESDE TRANSFORMAVELOCIDADESDE TRANSFORMAÇÇÕES: ÕES: TEMPERATURAS, pH, GEOMETRIA DOS TEMPERATURAS, pH, GEOMETRIA DOS BIOREATORES, ETC.BIOREATORES, ETC.

CINÉTICA DE CRESCIMENTO DE LEVEDURAS

A CINA CINÉÉTICA DE CULTIVOS MICROBIANOS TICA DE CULTIVOS MICROBIANOS PERMITE O CONHECIMENTO DE CONDIPERMITE O CONHECIMENTO DE CONDIÇÇÕES ÕES MAIS FAVORMAIS FAVORÁÁVEIS VEIS DE SE CONDUZIR E DE SE CONDUZIR E CONTROLAR PROCESSOS FERMENTATIVOS.CONTROLAR PROCESSOS FERMENTATIVOS.

O ESTUDO CINO ESTUDO CINÉÉTICO ENVOLVE DUAS PARTES:TICO ENVOLVE DUAS PARTES:

•• O TRABALHO EXPERIMENTAL DE COLETA DE O TRABALHO EXPERIMENTAL DE COLETA DE DADOS EM LABORATDADOS EM LABORATÓÓRIO, ONDE POCURARIO, ONDE POCURA--SE MEDSE MEDVELOCIDADES E ESTUDAR VELOCIDADES E ESTUDAR ÀÀ INFLUÊNCIA DE INFLUÊNCIA DE FATORES. APFATORES. APÓÓS OBTENS OBTENÇÇÃO DESSES DADOS, TEMÃO DESSES DADOS, TEMQUE INTERPRETQUE INTERPRETÁÁ--LOS.LOS.

•• DETERMINAR AS VELOCIDADES DE DETERMINAR AS VELOCIDADES DE TRANSFORMATRANSFORMAÇÇÕES.ÕES.

tem po

Concentração(g/L)

[Substrato]

[Produto]

•• QUE VELOCIDADES DEVEQUE VELOCIDADES DEVE--SE DETERMINAR?SE DETERMINAR?

•• PARA ESSAS TRANSFORMAPARA ESSAS TRANSFORMAÇÇÕES A VELOCIDADE ÕES A VELOCIDADE PODER SER DEFINIDA A PARTIR DO CONSUMO DA PODER SER DEFINIDA A PARTIR DO CONSUMO DA SUBSTÂNCIA SUBSTÂNCIA S S OU A PARTIR DA PRODUOU A PARTIR DA PRODUÇÇÃO DA ÃO DA SUBSTÂNCIA P OU SUBSTÂNCIA P OU X.X.

•• ((dSdS//dtdt)) tt11 = VELOCIDADE DE CONSUMO DE = VELOCIDADE DE CONSUMO DE

SUBSTRATO S NO INSTANTE tS NO INSTANTE t1 1 (g/L.h)(g/L.h)

•• ((dPdP//dtdt)) tt11 = VELOCIDADE DE FORMA= VELOCIDADE DE FORMAÇÇÃO DE ÃO DE

PRODUTO P NO INSTANTE tP NO INSTANTE t1 1 (g/L.h)(g/L.h)

•• ((dSdS//dtdt)) tt11 = VELOCIDADE DE FORMA= VELOCIDADE DE FORMAÇÇÃO DE ÃO DE

BBIOMASSA CELULAR X NO INSTANTE tX NO INSTANTE t1 1 (g/L.h)(g/L.h)

•• NO ESTUDO DE PROCESSOS FERMENTATIVOS, NO ESTUDO DE PROCESSOS FERMENTATIVOS, AS TRANASFORMAAS TRANASFORMAÇÇÕES SÃO CATALISADAS POR ÕES SÃO CATALISADAS POR ENZIMAS ENZIMAS QUE,QUE, SÃO PRODUZIDAS POR SÃO PRODUZIDAS POR MICRORGANISMOS. A CONCENTRAMICRORGANISMOS. A CONCENTRAÇÇÃO DE ÃO DE MICRORGANISMOS PRESENTES NÃO MICRORGANISMOS PRESENTES NÃO ÉÉCONSTANTE COM O TEMPO, DIFICULTANDO CONSTANTE COM O TEMPO, DIFICULTANDO COMPARACOMPARAÇÇÕES ENTRE iNSTANTES ÕES ENTRE iNSTANTES CONSECUTIVOS.CONSECUTIVOS.

•• COMO SOLUCIONAR TAL PROBLEMA?COMO SOLUCIONAR TAL PROBLEMA?

µµ = VELOCIDADE ESPEC= VELOCIDADE ESPECÍÍFICA DE CRESCIMENTOFICA DE CRESCIMENTO

CINÉTICA DE CRESCIMENTO DE LEVEDURAS

µµSS = (1/E) . (= (1/E) . (dSdS//dtdt))

E = CONCENTRAE = CONCENTRAÇÇÃO DO COMPLEXO ÃO DO COMPLEXO ENZIMA/SUBSTRATO (DIFENZIMA/SUBSTRATO (DIFÍÍCIL CIL DETERMINADETERMINAÇÇÃO EXPERIMENTAL)ÃO EXPERIMENTAL)

µµP P = (1/E) . (= (1/E) . (dPdP//dtdt))

µµS S = (1/S) . (= (1/S) . (dSdS//dtdt))

µµP P = (1/P) . (= (1/P) . (dPdP//dtdt))

µµXX = (1/X) . (= (1/X) . (dPdP//dtdt))

CINÉTICA DE CRESCIMENTO DE LEVEDURAS

TEMPO DE GERAÇÃO

•• ÉÉ O TEMPO NECESSO TEMPO NECESSÁÁRIO PARA QUE A MASSA OU RIO PARA QUE A MASSA OU NNÚÚMERO DE MICRORGANISMOS DUPLIQUE.MERO DE MICRORGANISMOS DUPLIQUE.

NNÚÚMERO DE MERO DE CCÉÉLULASLULAS

NNÚÚMERO DEMERO DEGERAGERAÇÇÕESÕES

1

2

3

4

n

(0) X0 . 20

(1) X0 . 21

(2) X0 . 22

(3) X0. 22

(n) X0 . 22

COMO EXPLORAR OS OBJETIVOS DA LEVEDURA COM OS DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL?

AJUSTAR OS OBJETIVOS DE PRODUÇAO DE ETANOL, COMO BIOMASSA CELULAR E ETANOL, ÀS NECESSIDADES DAS LEVEDURAS.

MINIMIZAR AS INTENSIDADES DOS “ESTRESSES” CAUSADOS PELO PROCESSO FERMENTATIVO.

UTILIZAR LINHAGENS DE LEVEDURAS SELECIONADAS AO PROCESSO FERMENTATIVOS

ADEQUAR AS NECESSIDADES DAS LEVEDURAS EM RELAÇÃO AOS NUTRIENTES MINERAIS: N, P, K, Mg, Mn, etc.

PROCURAR CONTROLAR OS AGENTES TÓXICOS E “ESTRESES”, PROVOCADOS PELO PROCESSO DE FERMENTAÇÃO, COMO:

ALUMÍNIO, SULFITO E EXCESSO DE CÁTIONS, COMO, K+ E Ca++.TEMPERATURAS ELEVADAS.

CONCENTRAÇÕES ELEVADAS DE ETANOL.

ACIDEZ (pH)

PRESSÃO OSMÓTICA (SUBSTRATO E SAIS).

CONTAMINAÇÃO BACTERIANA.

OBRIGADO POR SUA ATENÇÃOE PACIÊNCIA

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Prof. Jorge José Corrêa LopesUFSCar/DTAiSER/CCA – campus de Araras/SP

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