Propriedades estruturais em meios porosos para cultivo em estado sólido

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Data

2020-11-04

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Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

Uma melhor compreensão das propriedades estruturais e reológicas dos substratos empregados no cultivo em estado sólido (CES) é fundamental para a simulação realista de processos de transferência de calor e massa em biorreatores. Nesta tese, foram realizadas quatro etapas com o objetivo de obter parâmetros estruturais de um meio composto por bagaço de cana-de-açúcar (BC) e farelo de trigo (FT), antes e após o cultivo pelo fungo Myceliophthora thermophila I-1D3b, visando obter parâmetros que auxiliem na simulação de biorreatores durante o CES. Na primeira etapa, avaliou-se a influência do traçador colorido Rodamina B sobre o crescimento do fungo em misturas de BC:FT na proporção 7:3, estimado pela técnica de respiração e pela técnica de processamento digital de imagem (PDI) acoplada à fotografia. Realizou-se cultivos por 96 horas em meios com e sem traçador, medindo-se a produção de CO2 em biorreator de leito empacotado e analisando-se amostras cultivadas em placas de Petri por PDI. Diante dos resultados apresentados pela técnica PDI, não se observou diferença no crescimento do micélio no substrato sem e com coloração por Rodamina B, porém as concentrações de CO2 observadas indicam que o corante pode interferir na atividade metabólica do microrganismo. Em seguida, avaliou as propriedades reológicas de BC, FT e de misturas entre eles. Foram realizadas análises para determinar o perfil de textura (TPA) para amostras sem e com cultivo, empacotadas em tubos de PVC. Ensaios para a determinação da resistência à tração de uma mistura BC:FT ao longo do tempo de cultivo foram realizados utilizando-se caixas de acrílico, enquanto que a resistência à tração das hifas aéreas foi determinada cultivando-se o fungo em dois discos de farelo de trigo, separados por uma distância determinada. Nos ensaios de TPA foram realizados e parâmetros como dureza, coesão e elasticidade foram determinados, variando a umidade e proporção BC:FT antes e ao longo do cultivo. Os resultados de TPA mostraram que umedecer as amostras com muita antecedência do experimento produz amostras mais duras do que umidificando as amostras no momento do ensaio. Também se constatou que há uma tendência de diminuição da força de compressão com o aumento do tempo de cultivo, indicando degradação física do material sólido. A maior tensão de ruptura do micélio aéreo e do meio cultivado ocorreu às 24 horas de cultivo, coincidindo com a máxima atividade respirométrica do fungo. Na terceira etapa avaliou a movimentação dos substratos em ensaios sem e com cultivo microbiano por filmagem da tampa frontal de tambores rotativos de 9,4 e 30,0 cm de diâmetro, sem e com aletas internas. Nos ensaios sem cultivo, as variáveis foram os tipos de partículas (BC ou BC:FT), a umidade e o grau de enchimento. Nos ensaios com cultivo, a variável foi o tempo de cultivo, utilizando como substrato a mistura BC:FT na proporção 7:3 a 75% de umidade inicial. No tambor de maior dimensão não foi observado diferença no padrão de movimentação das partículas para as umidades de 10% e 75% para leitos de BC ou com a adição de 30% de FT em 10% de umidade. No tambor de menor dimensão, em sistemas irreacionais, a movimentação ocorreu mais no centro do tambor, devido à ausência de defletores na parede, observando-se três blocos de tamanhos e periodicidade irregulares. Nos ensaios com cultivo, observou-se padrão de movimentação similar aos ensaios sem cultivo para tempos de cultivo inferiores a 9 horas. Após, o micélio ocupa os espaços intersticiais, não se observando nenhuma movimentação a partir de 12 horas de cultivo. Na quarta etapa, ainda por análise de imagens, foram determinados a porosidade, o tamanho dos poros e a distribuição de tamanho de poros em leitos empacotados antes e ao longo do CES. A técnica fotográfica 2D auxiliada por computador foi utilizada para avaliar as mudanças na porosidade em amostras sem cultivo, empacotada em tubos de PVC e imobilizadas com ágar, e amostras durante o CES, em biorreator de leito empacotado. As amostras foram fatiadas e a superfície das fatias fotografadas para a análise digital das imagens. A técnica de microtomografia computadorizada de raios-X (µ-CT) foi usada para avaliar a estrutura 3D de leitos sem cultivo. Os resultados de porosidade e tamanho de poro não apresentaram variação quanto à umidade e substrato utilizado. Uma complexa rede de vazios foi encontrada, em estrutura 3D, com uma porosidade média bastante próxima à obtida usando a análise de imagens 2D na superfície do leito. Ao longo do CES, a porosidade diminuiu em aproximadamente 50% do valor inicial após 48 h de cultivo. Os resultados aqui obtidos serão relevantes para a previsão da força necessária para girar um tambor ao longo do cultivo e a altura máxima permitida da coluna em biorreatores de leito compactado e para simulação realista de fenômenos de transferência de calor e massa.
The realistic simulation of heat and mass transfer processes in solid-state cultivation (SSC) bioreactors requires a better understanding of the structural properties of the solid substrates. In this thesis was split in four steps in order to provide structural parameters of a medium composed by sugarcane bagasse (SCB) and wheat bran (WB) for the cultivation of the fungus Myceliophthora thermophila I-1D3b. In the first stage the influence of the dyer Rhodamine B on the microbial growth was assessed in mixture SCB:WB using the weight proportion 7:3; the growth was determined by respirometry and by digital image processing (DIP) coupled with photography. The cultivation took place along 96 h in media with and without color tracer, measuring the outlet CO2 concentration in a packed-bed bioreactor and taking pictures from the surface Petri dishes, following by DIP analysis. The image analysis did not show any influence of the color dyer on the fungal growth, although the CO2 concentration was remarkably influenced, demonstrating that the tracer modified the fungal metabolic activity. In the second stage, rheological properties of SCB, WB and mixtures of them were measured. The texture profile analysis (TPA) was applied to samples with and without cultivation, which were packed in a PVC tube. Experiments for the determination of the maximum strength of a mixture SCB:WB along the cultivation were carried out using Plexiglas boxes while the maximum strength of the aerial hyphae was determined cultivating the fungus in two discs of wheat bran separated by a specific void. From the experiments of TPA the parameters hardness, cohesiveness and springiness were determined as a function of the moisture content and the proportion SCB:WB before and along the cultivation. The results of the TPA experiments shoed that moistening the samples well in advance of the experiment produced harder samples than moistening the samples at the moment of the assay; besides, de compression force decreased with the increase of the cultivation time, indicating the physical degradation of the medium. The maximum strength of the aerial mycelium was noticed at 24 h of cultivation, which was coincident with the maximum respirometric activity of the microbe. In the third stage, particle movement of a mixture SCB:WB prior and along the fungal growth was observed by filming the front lid of rotating drums of 9.4 and 30.0 cm diameter, with and without flyers. For experiments without cultivation, the variables were the nature of the particles (SCB or SCB:WB), the moisture content and the filling degree. For the experiments with fungal growth, the mixture SCB:WB 7:3 at 75% moisture content was used. In the larger drum, the pattern of particle movement was not influenced by the SCB moisture content (10% and 75%) or by the addition of WB (mixture SCB:WB 7:3) at 10% moisture content. For the narrower drum, particle movement was concentrated at the drum core, sine this drum did not have flyers, and three blocks of irregular shape and periodicity moved. For the experiments along the cultivation, the same pattern observed without cultivation as notice up to 9h, when the fungal mycelium visibly occupied the voids and no movement was observed if the drum was let still up to 12 h. In the fourth stage, the bed porosity and the pore size distribution were determined by DIP, prior and along the cultivation. Uncultivated samples were packed in PVC tubes and were immobilized with agar and inoculated samples were cultivated in a packed-bed bioreactor. The samples were sliced and the surface of the slices were photographed for further DIP. The X-ray microtomography technique (µ-CT) was used to provide 3D images of beds of SCB:WB without cultivation. The bed porosity and the pore size distribution were not affected by the initial moisture content of the solids. A complex network of voids was noticed by the 3D analysis, with average porosity very close to the one obtained with the 2D analysis. During the SSC, the bed porosity decreased 50% from its original value at 48 h of cultivation. The results obtained in this thesis will be of relevance to the forecast of the strength required to spin a drum during the cultivation and the maximum height allowed for packed columns, as well as for a more realistic simulation of heat and mass transfer processes in SSC.

Descrição

Palavras-chave

Cultivo em estado sólido, Crescimento fúngico, Biorreator de tambor rotativo, Reologia de sólidos, Análise de perfil de textura, Solid-state cultivation, Fungal growth, Rotating drum bioreactor, Solid rheology, Texture profile analysis

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