EB2 - Aula 2 2 - Estequiometria crescimento - parte 2

Prévia do material em texto

ENGENHARIA BIOQUÍMICA 2 (EB2)
Disciplina 107077 – Turma B – 2019/1
Horário: Quarta-feira (14 – 18 h) AT 10 sala 239
Profa. Dra. Fernanda Perpétua Casciatori
Departamento de Engenharia Química (DEQ)
Universidade Federal de São Carlos (UFSCar)
Estequiometria do Crescimento e Balanços Elementares
 Embora os balanços elementares sejam úteis, a presença de água na equação de reação causa 
problemas em sua aplicação prática. 
 Água presente em excesso: pequenas variações difíceis de medir;
 Erros nos balanços de H e O.
Estequiometria do Crescimento e Balanços Elementares
 Embora os balanços elementares sejam úteis, a presença de água na equação de reação causa 
problemas em sua aplicação prática. 
 Água presente em excesso: pequenas variações difíceis de medir;
 Erros nos balanços de H e O.
 Princípio da conservação do potencial de redução ou de elétrons livres!
 Relações quantitativas entre substratos e produtos;
 Balanço mostra como os elétrons livres do substrato são distribuídos na reação.
Balanços de Elétrons e Grau de Redução
 Elétrons livres
 Nº e- disponíveis para O2 na combustão a CO2, H2O e compostos nitrogenados.
 Calculado a partir da valência dos elementos: C = 4; H = 1; O = - 2; P = 5; S = 6
 N: depende do estado de referência (fonte de nitrogênio presente no meio de cultivo)
 Amônia (NH3): -3; molecular (N2): 0; nitrato (NO32-): 5. 
Balanços de Elétrons e Grau de Redução
 Elétrons livres
 Nº e- disponíveis para O2 na combustão a CO2, H2O e compostos nitrogenados.
 Calculado a partir da valência dos elementos: C = 4; H = 1; O = - 2; P = 5; S = 6
 N: depende do estado de referência (fonte de nitrogênio presente no meio de cultivo)
 Amônia (NH3): -3; molecular (N2): 0; nitrato (NO32-): 5. 
 Grau de redução γ
 Nº de equivalentes de e- livres naquela quantidade de material contendo 1 g de átomos de carbono
 CwHxOyNz: elétrons livres = (4w + x - 2y - 3z). 
 Grau de redução para o substrato: γ = (4w + x - 2y - 3z)/w.
 γ = 0 para NH3, CO2 e H2O.
Estequiometria do Crescimento e Balanços Elementares
Balanços de Elétrons e Grau de Redução
 Elétrons livres a serem transferidos ao O2 são conservados numa equação balanceada de crescimento!
Balanços de Elétrons e Grau de Redução
 Elétrons livres a serem transferidos ao O2 são conservados numa equação balanceada de crescimento!
Balanços de Elétrons e Grau de Redução
 Elétrons livres a serem transferidos ao O2 são conservados numa equação balanceada de crescimento!
NH3
Amônia como
fonte de nitrogênio
NH3
Balanços de Elétrons e Grau de Redução
 Elétrons livres a serem transferidos ao O2 são conservados numa equação balanceada de crescimento!
 Balanço de elétrons livres entre substrato e biomassa:
NH3
Amônia como
fonte de nitrogênio
Balanços de Elétrons e Grau de Redução
 Elétrons livres a serem transferidos ao O2 são conservados numa equação balanceada de crescimento!
 Balanço de elétrons livres entre substrato e biomassa:
w γs – 4 a = c γb
NH3
Amônia como
fonte de nitrogênio
Rendimento de Biomassa (Biomass yield, YXS)
 Relação linear entre as quantidades de biomassa produzida e de substrato consumido. 
𝑌 =
𝑔 𝑐é𝑙. 𝑝𝑟𝑜𝑑. 
𝑔 𝑠𝑢𝑏. 𝑐𝑜𝑛𝑠.
Rendimento de Biomassa (Biomass yield, YXS)
 Relação linear entre as quantidades de biomassa produzida e de substrato consumido. 
 Fatores que afetamYXS:
 Composição do meio
 Natureza das fontes de carbono e nitrogênio
 pH
 Temperatura
 Cultivos aeróbicos (> YXS) ou anaeróbicos (aceptor de elétrons)
𝑌 =
𝑔 𝑐é𝑙. 𝑝𝑟𝑜𝑑. 
𝑔 𝑠𝑢𝑏. 𝑐𝑜𝑛𝑠.
Rendimento de Biomassa (Biomass yield, YXS)
Rendimento de Biomassa (Biomass yield, YXS)
𝑌 =
𝑔 𝑐é𝑙. 𝑝𝑟𝑜𝑑. 
𝑔 𝑠𝑢𝑏. 𝑐𝑜𝑛𝑠.
=
𝑐 𝑀𝑀𝑐é𝑙. 
𝑀𝑀𝑠𝑢𝑏.
Rendimento de Biomassa (Biomass yield, YXS)
 MMcél.: fórmula molecular da biomassa + cinzas residuais;
 YXS permite estimar c quando todo o substrato é destinado ao crescimento celular (exclui 
metabolismo de manutenção e formação de outros bioprodutos).
𝑌 =
𝑔 𝑐é𝑙. 𝑝𝑟𝑜𝑑. 
𝑔 𝑠𝑢𝑏. 𝑐𝑜𝑛𝑠.
=
𝑐 𝑀𝑀𝑐é𝑙. 
𝑀𝑀𝑠𝑢𝑏.
Estequiometria de Produto
 Considere a formação de um produto extracelular durante o crescimento:
Estequiometria de Produto
 Considere a formação de um produto extracelular durante o crescimento:
Estequiometria de Produto
 Considere a formação de um produto extracelular durante o crescimento:
Estequiometria de Produto
 Considere a formação de um produto extracelular durante o crescimento:
 Rendimento de produto a partir do substrato (Product yield, YPS)
Estequiometria de Produto
 Considere a formação de um produto extracelular durante o crescimento:
 Rendimento de produto a partir do substrato (Product yield, YPS)
𝑌 =
𝑔 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜 
𝑔 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜
=
𝑓 𝑀𝑀𝑝𝑟𝑜𝑑
. 
𝑀𝑀𝑠𝑢𝑏.
Estequiometria de Produto
 Considere a formação de um produto extracelular durante o crescimento:
 Rendimento de produto a partir do substrato (Product yield, YPS)
 Não se aplica bem a metabólitos secundários (antibióticos).
𝑌 =
𝑔 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜 
𝑔 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜
=
𝑓 𝑀𝑀𝑝𝑟𝑜𝑑
. 
𝑀𝑀𝑠𝑢𝑏.
Demanda teórica de oxigênio
 Parâmetro importante em bioprocessos!
 O2 é frequentemente limitante em fermentações aeróbicas;
 Balanço de elétrons.
Demanda teórica de oxigênio
 Parâmetro importante em bioprocessos!
 O2 é frequentemente limitante em fermentações aeróbicas;
 Balanço de elétrons.
Demanda teórica de oxigênio
 Parâmetro importante em bioprocessos!
 O2 é frequentemente limitante em fermentações aeróbicas;
 Balanço de elétrons.
w γs – 4 a = c γb + f j γp
Demanda teórica de oxigênio
 Parâmetro importante em bioprocessos!
 O2 é frequentemente limitante em fermentações aeróbicas;
 Balanço de elétrons.
w γs – 4 a = c γb + f j γp
a = (1/4) [w γs – c γb – f j γp]
Demanda teórica de oxigênio
 Parâmetro importante em bioprocessos!
 O2 é frequentemente limitante em fermentações aeróbicas;
 Balanço de elétrons.
w γs – 4 a = c γb + f j γp
a = (1/4) [w γs – c γb – f j γp]
substrato biomassa produto
Demanda teórica de oxigênio
 Parâmetro importante em bioprocessos!
 O2 é frequentemente limitante em fermentações aeróbicas;
 Balanço de elétrons.
w γs – 4 a = c γb + f j γp
a = (1/4) [w γs – c γb – f j γp]
YXS YPS
Demanda teórica de oxigênio
 Parâmetro importante em bioprocessos!
 O2 é frequentemente limitante em fermentações aeróbicas;
 Balanço de elétrons.
w γs – 4 a = c γb + f j γp
a = (1/4) [w γs – c γb – f j γp]
Máximo rendimento possível
 Alocação fracional dos elétrons disponíveis no substrato:
Máximo rendimento possível
 Alocação fracional dos elétrons disponíveis no substrato:
Fração de elétrons 
transferidos do substrato 
para o oxigênio
Máximo rendimento possível
 Alocação fracional dos elétrons disponíveis no substrato:
Fração de elétrons 
transferidos do substrato 
para a biomassa
Máximo rendimento possível
 Alocação fracional dos elétrons disponíveis no substrato:
Fração de elétrons 
transferidos do substrato 
para o produto
Máximo rendimento possível
 Alocação fracional dos elétrons disponíveis no substrato:
 Permite definir limites máximos para os rendimentos de biomassa e de produto a partir do substrato!
Máximo rendimento possível
 Fração de elétrons livres no substrato transferidos para a biomassa:
 Ausência de formação de produto: ζB = 1.
 Máximo valor do coeficiente estequiométrico c:
Máximo rendimento possível
 Fração de elétrons livres no substrato transferidos para a biomassa:
 Ausência de formação de produto: ζB = 1.
 Máximo valor do coeficiente estequiométrico c:
 Máximo rendimento possível de produto na ausência de síntese de biomassa:
Somente 
formação de 
biomassa
Nº átomos de C na biomassa por 
átomos de C consumidos do 
substrato
Exemplo 2:
Rendimento de produto e demanda deoxigênio
A equação da reação química para a respiração de glicose é:
Células de Candida utilis convertem glicose em CO2 e H2O durante o crescimento. A composição da célula é
CH1,84O0,55N0,2 mais 5 % de cinzas. O rendimento de biomassa a partir do substrato é de 0,5 g/g. Amônia é usada
como fonte de nitrogênio.
(a) Qual é a demanda de oxigênio com crescimento comparado à demanda sem crescimento?
(b) C. utilis também é capaz de crescer tendo etanol (C2H5OH) como substrato, produzindo células da mesma
composição. Em base mássica, qual o máximo rendimento possível de biomassa a partir de etanol comparado ao
máximo rendimento possível a partir de glicose?
Respostas: a) Com crescimento: 2,52 mol O2 / mol glicose; sem crescimento: 6 mol O2 / mol glicose.
b) YXS(glicose) = 0,86 gbiomassa/gglicose; YXS(etanol) = 1,69 gbiomassa/getanol.