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Universidade de São Paulo

Escola de Engenharia de Lorena

Programa de Pós-Graduação em

Biotecnologia Industrial

Engenharia Bioquímica I

“Estequiometria do crescimento microbiano e da formação de produto - Parte 1:

Formação de biomassa e quociente respiratório”

Prof. Júlio César dos Santos

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Estequiometria do crescimento microbiano e da formação de produto

DORAN, P.M.; MORRISSEY, K.; CARLSON, R.P. Bioprocess Engineering Principles, 3rd edition. London, United Kingdom: Elsevier Ltd., 2025.

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Estequiometria do crescimento microbiano e da formação de produto

Células microbianas seguem as leis de conservação da matéria
Considerando-se apenas os principais substratos e elementos químicos (correspondentes a cerca de 90% do total da massa):

CwHxOyNz + a O₂ + b HgOhNi 🡪 c CHαOβNδ + d CO₂ + e H₂O

substrato + oxigênio + fonte de nitrogênio 🡪 células secas + gás carbônico + água

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Estequiometria do crescimento microbiano e da formação de produto

Estequiometria metabólica pode ser usada para:

Balanço de massa e energia
Comparação entre fatores de rendimento teórico e obtido
Checagem de consistência de dados experimentais
Formulação de meio nutriente.

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Estequiometria do crescimento microbiano e da formação de produto

Biomassa : CHαOβNδ

Varia de acordo com a espécie e condições de cultivo
Bactérias tendem a ter um pouco mais de nitrogênio em comparação a fungos
Para uma determinada espécie, a composição das células também depende do substrato utilizado e das condições de cultura aplicadas

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Estequiometria do crescimento microbiano e da formação de produto

Biomassa : CHαOβNδ

Há similaridades :

CH_1,8O_0,5N_0,2

Pode ser utilizado como fórmula geral e uma massa molar média de MM = 24,6 + cinzas (5-10%)

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Estequiometria do crescimento microbiano e da formação de produto

Número de equações X Número de incógnitas

Uma vez que se tem a fórmula, os coeficientes podem ser determinados usando procedimentos normais para o balanço de equações, ou seja, pela solução de equações simultâneas

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Estequiometria do crescimento microbiano e da formação de produto

Número de equações X Número de incógnitas

C : w = c + d

H : x +b·g =c·α +2·e

O : y + 2a + b·h = c·β + 2·d + e

N: z + b·i = c·δ

CwHxOyNz + a O₂ + b HgOhNi 🡪 c CHαOβNδ + d CO₂ + e H₂O

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Estequiometria do crescimento microbiano e da formação de produto

Número de equações X Número de incógnitas

Quociente respiratório

(respiratory quotient - RQ)

RQ = mols CO₂ produzido / mols O₂ consumido = d/a

CwHxOyNz + a O₂ + b HgOhNi 🡪 c CHαOβNδ + d CO₂ + e H₂O

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Estequiometria do crescimento microbiano e da formação de produto

Exemplo:

A produção da proteína microbiana a partir de hexadecano é descrita pela seguinte reação :

C₁₆H₃₄ + a O₂ + b NH_{3 🡪} c CH_1,66O_0,27N_0,2 + d CO₂ + e H₂O

Se o quociente respiratório for de 0,43, determine os coeficientes estequiométricos.

Resposta : a = 12,5 / b =2,13 / c= 10,6 / d= 5,37 / e =11,4