O crescimento microbiano e a formação de produtos são resultantes da atividade fisiológica dos microrganismos e são fortemente influenciados pelas condições do meio, tais como, temperatura, pH e concentração de oxigênio dissolvido (Shuler e Kargi, 1992). Assim, é de fundamental importância a otimização dessas variáveis.
A temperatura é uma importante condição que pode afetar o desempenho das células. De acordo com sua temperatura ótima os microrganismos podem ser classificados em três grupos: psicrófilos (Tótima<20°C), mesófilos (Tótima entre 20°C e 50°C) e termófilos
(Tótima>50°C). Conforme a temperatura vai aumentando em direção à temperatura ótima, a
velocidade de crescimento dobra aproximadamente para cada 10°C. Porém, acima da temperatura ótima, a velocidade de crescimento diminui e morte térmica pode ocorrer. A temperatura pode afetar também a formação de produtos e o coeficiente de rendimento.
A produção da maioria das penicilinas G acilases é frequentemente conduzida a baixas temperaturas, em torno de 28ºC (Chou et al., 2000; Sobotkova et al., 1996; Keilmann et al., 1993; Meevootisom e Saunders, 1987). Huang e colaboradores, 2002, demonstraram via expressão heteróloga do gene pac de Providencia rettgeri em E. coli produção de PGA a 37ºC com pH da cultura mantido próximo a neutralidade, 6,5-7,5. Essa condição é bastante atrativa do ponto de vista industrial, já que a temperatura ótima de crescimento para células hospedeira de E. coli é 37ºC, podendo-se reduzir o tempo do processo global em comparação a cultivos em que a temperatura ótima para o crescimento do microrganismo está na faixa de 28ºC. Já para a enzima de Bacillus megaterium, a temperatura ótima para produção da PGA coincide com a temperatura ótima para crescimento do microrganismo, em torno de 28-30ºC, tal como reportado nos trabalhos de Acevedo e Cooney, 1973; Illanes et al., 1994; Senthilvel e Pai, 1996 e 1998; Hojo e Hokka, 1996; Pinotti et al., 2000 e 2002; Silva et al., 2006.
O pH, ou seja, a concentração de íons hidrogênio, pode afetar o crescimento microbiano, a formação do produto de interesse, o metabolismo de vários nutrientes e algumas atividades fisiológicas celulares. O pH ótimo para crescimento do microrganismo não é necessariamente o mesmo de formação de produtos. Diferentes microrganismos apresentam diferentes pHs ótimos de crescimento, por exemplo, para a maioria das bactérias a faixa de pH ótima é de 3,0 a 8,0. Muitos microrganismos têm mecanismos para manter o pH intracelular relativamente constante na presença de alterações no meio, fora desta faixa, a fisiologia da célula fica seriamente afetada, prejudicando o desempenho da cultura. O pH do meio de fermentação, durante o desenvolvimento do microrganismo, depende dos constituintes do meio de cultura e do próprio microrganismo. Pode variar por causa da produção ou consumo de ácidos ou bases orgânicas. O aumento do CO2 dissolvido pode
alterar significantemente o pH de alguns sistemas, por isso seu controle por meio de tampão ou de um sistema de controle ativo é de extrema importância.
Publicações sobre a produção de PGA por diferentes microrganismos foram revisadas e todos os trabalhos reportaram processos a pHs inicias ajustados na faixa de 7,0-
8,0. Na maioria destes, o valor de pH inicial é mantido constante durante todo o cultivo pela adição automática de soluções de hidróxido de sódio.
As condições de operação de um bioprocesso podem afetar a formação de produtos e subprodutos em processos aeróbios através das rotas metabólicas e mudanças na velocidade das reações intracelulares. Com base nessas interações alguns bioprocessos requerem controle nas taxas de transferência de oxigênio. Similarmente alguns bioprocessos requerem condições controladas de pH, enquanto que outros requerem operações a pHs não controlados, de modo a aumentar a produtividade e seletividade (Çalik, et al., 2003).
Uma das mais importantes variáveis em bioprocessos é a concentração de oxigênio dissolvido, expressa como a porcentagem do valor de saturação a pressão atmosférica. Devido à baixa solubilidade do oxigênio na água, é essencial a transferência contínua deste para o meio líquido de crescimento. Essa transferência se dá pela aeração do meio de cultura.
Oxigênio é um elemento essencial para crescimento de microrganismos aeróbios, pois funciona como receptor de hidrogênio e elétrons no mecanismo de respiração para geração de energia. A taxa de respiração é geralmente independente da concentração de oxigênio dissolvido acima de um nível crítico. Abaixo desse nível uma pequena mudança na concentração de oxigênio dissolvido pode causar uma alteração fisiológica significativa no metabolismo celular. O estudo desta variável é de extrema importância para que se tenha uma boa produtividade e deve ser considerada como um reagente indispensável, semelhante a outros presentes no meio reacional. Em altas concentrações celulares, a velocidade de consumo de oxigênio pode exceder a velocidade de fornecimento, levando a limitações deste. Quando o oxigênio é variável limitante, a velocidade de crescimento específico varia com sua concentração.
Na produção de metabólitos secundários, os valores ótimos para a concentração de oxigênio dissolvido não devem ser os mesmos que para o crescimento do microrganismo. Segundo Sargantanis e Karim, 1996, condições limitadas de oxigênio aumentam a síntese de produtos secundários. Assim, um controle preciso da concentração de oxigênio dissolvido é requerido em processos fermentativos para investigar as melhores condições para formação de produtos. Métodos típicos de controle de oxigênio dissolvido em fermentações incluem variações da velocidade de agitação ou fluxo de ar. Estas manipulações resultam em variação do coeficiente de transferência de massa KLa e outras características
Segundo Vojtisek, 1975, a presença de oxigênio dissolvido é um fator de extrema importância na produção de penicilinas acilases, funcionando como repressor quando em altas concentrações. Um ponto ótimo para a concentração de oxigênio dissolvido é em torno de 10% do valor de saturação, onde segundo Visnardi, 1997, a produção de PGA por Bacillus megaterium é máxima, sendo que valores acima de 40% ou abaixo de 5% não favorecem a expressão da enzima. De-León e colaboradores, 2003, estudaram o efeito de concentração de oxigênio dissolvido (0-40%) na produção de PGA por E. coli recombinante e verificaram que as mais baixas concentrações de oxigênio promoviam maior concentração de enzima, sendo a máxima atividade enzimática obtida a 1% do valor da saturação.