Cinética do Crescimento

A Figura 3.7 mostra uma curva de crescimento típica de um organismo unicelular (levedura), em cultura líquida sob condições de temperatura, pH, arejamento e agitação próximas das óptimas. A curva apresentada é típica de culturas batch, nas quais todos os nutrientes são adicionados no início da mesma. Trata-se de um sistema fechado.

Observa-se uma fase inicial denominada lag, seguida por uma fase de crescimento exponencial, uma fase de desaceleração, uma fase estacionária e por fim uma fase de autólise ou morte celular (as mesmas fases são apresentadas por um fungo miceliano com crescimento em superfície). O fim da fase exponencial e o início das fases subsequentes são condicionados por

diferentes factores, que podem atuar em conjunto ou isoladamente: exaustão de um ou mais nutrientes, insuficiência de oxigénio, alteração do pH (por produção excessiva de ácidos orgânicos), acumulação de metabólitos a níveis tóxicos, etc.

Figura 3.7 Curva de crescimento de um organismo unicelular em cultura batch.

Os fungos filamentosos também apresentam uma fase de crescimento exponencial, quer em cultura líquida quer em meio sólido. No entanto, na maioria dos casos, os fungos filamentosos dificilmente mantêm esse tipo de crescimento em culturas submersas com agitação, em virtude de normalmente formarem pellets (colónias tridimensionais esféricas). As taxas de difusão de nutrientes e oxigénio para o interior do pellet, e a saída dificultada de produtos metabólicos, rapidamente limitam o crescimento à periferia do pellet.

As culturas batch (Figura 3.8) reproduzem as condições dos ambientes naturais em que vários fungos crescem. São utilizadas comummente em processos industriais, em virtude de durante as fases de desaceleração e estacionária serem produzidos e acumulados vários produtos metabólicos de

interesse comercial (por exemplo, antibióticos, enzimas, ácidos orgânicos, etc.). As culturas batch são também utilizadas no fabrico de cervejas e vinhos, porque o álcool se acumula nas culturas durante as fases de desaceleração e estacionária.

Figura 3.8 Biorreactores batch. Na sua essência, um biorreactor é um recipiente, de dimensão variável, onde são misturados o meio de cultura e o biocatalizador em condições óptimas de reacção. A temperatura e o pH são cuidadosamente regulados. Ar estéril, por vezes com oxigénio, é borbulhado no meio de reacção. Em qualquer altura do processo, podem ser retiradas amostras, para ensaios químicos e biológicos. De modo a evitar possíveis contaminações, procede-se à injecção de vapor de água através de todas as válvulas de admissão, o que as mantém esterilizadas. No fim do período de reacção, que pode variar de horas a dias, o reactor é esvaziado de modo que o produto (ou produtos) possa ser isolado e purificado. Imagem de Allbiom .

A alternativa à cultura batch é a cultura contínua. Em poucas palavras, este tipo de cultura envolve a adição contínua de meio de cultura novo e a remoção de um volume correspondente de meio “antigo”, juntamente com algumas células microbianas. As culturas contínuas são utilizadas tanto para leveduras como para fungos filamentosos, mas no último caso é necessário utilizar uma lâmina

Tanto as culturas batch como as contínuas são cuidadosamente monitoradas e automaticamente ajustadas de modo a manter o pH, a temperatura e concentração de oxigénio a níveis desejados. São também vigorosamente agitadas de forma a facilitar o movimento de produtos metabólicos para longe das células e dos nutrientes e oxigénio na sua direcção.

A forma mais vulgar de operar em contínuo é o quimiostato. O organismo é cultivado num meio de cultura no qual um determinado nutriente está presente a uma concentração abaixo da óptima de crescimento, todos os outros nutrientes estão presentes em excesso. Sendo assim, este nutriente torna-se um substrato limitante do crescimento. A taxa de crescimento pode ser manipulada apenas pelo ajuste do fluxo de meio de cultura através do fermentador, ou seja, através da variação da taxa de diluição. O organismo mantém-se em crescimento exponencial, mas a taxa de crescimento depende da taxa de diluição e pode ser ajustada a qualquer nível desejado, até cerca de metade da taxa máxima de crescimento.

A utilização de culturas contínuas oferece algumas vantagens: podemos obter uma produção contínua de células, em sistema de quimiostato podemos, também, produzir continuamente vários metabólitos secundários, tais como antibióticos. A razão pela qual os metabólitos secundários são só produzidos durante a fase estacionária, em culturas batch, deve-se ao facto de a sua produção ser reprimida por altas concentrações de um ou mais substratos como a glicose. Uma outra vantagem da cultura contínua é a sua possível utilização em estudos de vários tipos. Por exemplo, a fisiologia de um organismo pode ser modificada quer pela alteração do substrato limitante ou simplesmente pelo ajustamento da taxa de diluição. Este último ponto é bem ilustrado na seguinte experiência com S. cerevisiae: se a glicose é utilizada como substrato limitante, então, a baixas taxas de diluição (crescimento lento), as células da levedura acumulam-se e a taxas elevadas (metabolismo rápido) dá-se a acumulação de etanol. A levedura muda da produção de células (biomassa) para a produção de etanol em condições que favorecem um metabolismo rápido, mesmo sendo a glicose o factor limitante do crescimento em ambas casos.

Na prática, as culturas batch são ainda as mais utilizadas nos processos industriais (por vezes são modificadas pela adição periódica de nutrientes – sistema fed batch), devido principalmente a factores de ordem económica. Por

outro lado, a cultura contínua apresenta uma séria desvantagem: o organismo pode sofrer mutação. Na cultura batch é possível periodicamente retornar à estirpe original.