Propriedades estruturais em meios porosos para cultivo em estado sólido - Canedo, Marianny Silva (2020)
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.