Publicação: Development of technological alternatives for drying and spore extraction of Metarhizium anisopliae in biofactories using Solid-State Cultivation on rice
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Autores
Orientador
Thoméo, João Cláudio 
Coorientador
Pós-graduação
Alimentos, Nutrição e Engenharia de Alimentos - IBILCE
Curso de graduação
Título da Revista
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Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
A busca por alternativas menos agressivas para o controle de pragas tem impulsionado a produção do fungo entomopatogênico Metarhizium anisopliae, um biopesticida amplamente utilizado no controle de diversas pragas agrícolas. A produção em escala industrial é realizada por cultivo em estado sólido, utilizando arroz como substrato em embalagens plásticas. No entanto, esse processo enfrenta diversas barreiras tecnológicas, principalmente devido à realização manual de todas as etapas, o que aumenta a frequência de contaminações exógenas. Dentre os desafios que demandam aprimoramento, destacam-se a pré-secagem e a extração de esporos. Tradicionalmente, a secagem ocorre pela abertura das embalagens de cultivo em salas com temperatura controlada, um processo trabalhoso e demorado. Já a extração de esporos é convencionalmente realizada em peneiras vibratórias, resultando em perdas significativas. Esses desafios evidenciam a necessidade de otimização do processo para garantir maior eficiência e viabilidade na produção de M. anisopliae em larga escala. Este estudo investiga o uso de um tambor horizontal de 20 cm de diâmetro e 33 cm de comprimento, equipado com duas aletas retas posicionadas longitudinalmente, para a secagem e extração de esporos. A secagem do arroz cozido foi realizada utilizando modos estático e com rotações intermitentes a cada 1 e 24 horas de operação. Para simular a secagem estática, foi empregado um modelo matemático bidimensional baseado no transporte de massa difusivo. No caso do modo com rotações intermitentes, a homogeneização do leito foi investigada por meio de simulações utilizando o Método dos Elementos Discretos (DEM), considerando diferentes níveis de umidade. O modelo matemático previu que seriam necessários 23 dias para reduzir a umidade de 0.667 para 0.250 kg-a/kg-ss a 30°C com fluxo de ar de 50 L/min. No entanto, a introdução de rotações intermitentes reduziu esse tempo em até 97.79%. Simulações DEM, validadas experimentalmente, demonstraram que umidade elevada dificultam a mistura do material, no entanto ao se rotacionar o tambor 11 vezes a 7 rpm atingisse uma boa homogeneização dos leitos. Além disso, observou-se que o número de rotações necessárias para alcançar a homogeneização diminuiu com a redução do diâmetro do tambor e com modificações no formato das aletas, destacando a importância do design do equipamento na otimização do processo. A extração de esporos foi analisada em um tambor com rotação constante, acoplado a um conjunto de ciclones previamente dimensionado. A condição ótima de extração foi determinada variando-se o grau de enchimento do tambor (0.25 e 0.50), a velocidade de rotação (30 e 60 rpm) e o tempo de operação (4 e 8 h). Além disso, simulações DEM foram conduzidas para estimar as trajetórias das partículas, o número e as forças de colisão, parâmetros inacessíveis experimentalmente. Os resultados confirmaram que a eficiência da extração depende do equilíbrio entre rotação, umidade e forças de colisão. A condição ótima de extração é alcançada ao se rotacionar o tambor com grau de enchimento de 0.50, velocidade de rotação de 30 rpm por 8 horas. De forma geral, as maiores eficiências de extração foram obtidas com o maior tempo de operação (8 h), atribuído à maior redução da umidade das partículas, evidenciando o impacto desse fator na eficiência do desprendimento dos esporos. A força de arrasto necessária para a remoção dos esporos diminui à medida que a umidade das partículas é reduzida, o que também diminui as forças de adesão entre os esporos e o substrato, estimadas entre 1,06x10-5 e 3,17x10-4 N. As simulações DEM revelaram que, embora 60 rpm aumentassem a frequência e a intensidade das colisões, não resultaram em uma melhora significativa na extração em comparação a 30 rpm. Esse efeito foi atribuído à fragmentação excessiva das partículas e à dissipação de energia em velocidades mais altas, resultando em um movimento menos eficiente para a extração dos esporos. Esses resultados demonstram o potencial dos tambores rotativos para aprimorar os processos de secagem e extração de esporos em biofábricas. A integração de dados experimentais, modelagem matemática e simulações DEM fornece uma compreensão abrangente da dinâmica do processo, contribuindo para o desenvolvimento de soluções escaláveis e econômicas na produção de bioinseticidas.
Resumo (inglês)
The search for less aggressive alternatives for pest control has driven the production of the entomopathogenic fungus Metarhizium anisopliae, a biopesticide widely used to control various agricultural pests. Industrial-scale production is carried out through solid-state cultivation, using rice as a substrate in plastic packaging. However, this process faces several technological barriers, mainly due to the manual execution of all stages, which increases the frequency of exogenous contamination. Among the challenges requiring improvement, pre-drying and spore extraction stand out. Traditionally, drying occurs by opening the cultivation packages in temperature-controlled rooms, a labor-intensive and time-consuming process. Spore extraction is conventionally performed using vibrating sieves, resulting in significant losses. These challenges highlight the need to optimize the process to ensure greater efficiency and feasibility in the large-scale production of M. anisopliae. This study investigates the use of a horizontal drum with a diameter of 20 cm and a length of 33 cm, equipped with two straight longitudinal fins, for drying and spore extraction. The drying of cooked rice was conducted using static modes and intermittent rotations every 1 and 24 hours of operation. To simulate static drying, a two-dimensional mathematical model based on diffusive mass transport was employed. In the case of intermittent rotation, bed homogenization was investigated through simulations using the Discrete Element Method (DEM), considering different moisture levels. The mathematical model predicted that 23 days would be required to reduce moisture from 0.667 to 0.250 kg-a/kg-ss at 30°C with an airflow of 50 L/min. However, the introduction of intermittent rotations reduced this time by up to 97.79%. DEM simulations, experimentally validated, demonstrated that high moisture content hindered material mixing; however, by rotating the drum 11 times at 7 rpm, good bed homogenization was achieved. Additionally, it was observed that the number of rotations required to achieve homogenization decreased with a reduction in drum diameter and modifications to the fin shape, highlighting the importance of equipment design in process optimization. Spore extraction was analyzed in a drum with constant rotation, coupled to a pre-dimensioned cyclone set. The optimal extraction condition was determined by varying the drum filling level (0.25 and 0.50), rotation speed (30 and 60 rpm), and operation time (4 and 8 h). Furthermore, DEM simulations were conducted to estimate particle trajectories, collision numbers, and collision forces—parameters inaccessible experimentally. The results confirmed that extraction efficiency depends on the balance between rotation, moisture, and collision forces. The optimal extraction condition was achieved by rotating the drum with a filling level of 0.50 at a speed of 30 rpm for 8 hours. Overall, the highest extraction efficiencies were obtained with the longest operation time (8 h), attributed to the greater reduction in particle moisture, highlighting the impact of this factor on spore detachment efficiency. The drag force required for spore removal decreased as particle moisture was reduced, which also lowered the adhesion forces between the spores and the substrate, estimated between 1.06×10⁻⁵ and 3.17×10⁻⁴ N. DEM simulations revealed that while 60 rpm increased the frequency and intensity of collisions, they did not significantly improve extraction compared to 30 rpm. This effect was attributed to excessive particle fragmentation and energy dissipation at higher speeds, resulting in less efficient movement for spore extraction. These results demonstrate the potential of rotary drums to improve drying and spore extraction processes in biofactories. The integration of experimental data, mathematical modeling, and DEM simulations provides a comprehensive understanding of process dynamics, contributing to the development of scalable and cost-effective solutions in bioinsecticide production.
Descrição
Palavras-chave
Metarhizium anisopliae, Secagem, Extração, Tambor, Ciclone, DEM, Drying, Extraction, Drum, Cyclone
Idioma
Inglês
Como citar
FERREIRA, Daiane Bortolote. Development of technological alternatives for drying and spore extraction of Metarhizium anisopliae in biofactories using Solid-State Cultivation on rice. (Doutorado em Alimentos, Nutrição e Engenharia de Alimentos). 2025. Universidade Estadual Paulista (Unesp), Instituto de Biociências Letras e Ciências Exatas (Ibilce), São José do Rio Preto, 2025.
