Efeito da temperatura na cinética de crescimento de Rhizopus oryzae em cultivo no estado sólido

Abstract

A cinética de crescimento do fungo Rhizopus oryzae foi avaliada em condições não isotérmicas em fermentação no estado sólido quando cultivado em biorreatores de coluna e quando cultivado em sistema overculture. O estudo foi executado em 4 grandes etapas: na primeira foram selecionados os meios ideais para cada tipo de cultivo e a temperatura ótima para incubação. Nas segunda e terceira etapas avaliou-se o crescimento do fungo em condições não isotérmicas, seguindo a velocidade de consumo de oxigênio e a produção da enzima glucoamilase quando o cultivo foi realizado em biorreatores de coluna; e medindo diretamente a massa seca de micélio quando o cultivo foi realizado em sistema overculture. Quando cultivado em overculture, as elevações de temperatura, partindo da ótima de 34°C, para ou 40°C ou 45°C, foram impostas em três tempos diferentes de cultivo: em 15, 18 e 24 horas. Na quarta etapa, com os resultados da medição direta da massa seca do micélio, desenvolveu-se um modelo matemático cinético empírico que postula que o crescimento é controlado pelo nível de um componente intracelular essencial denominado de "F" que também é responsável pela sua própria síntese e sofre desnaturação térmica. Isto é, o nível deste componente "F" representa o estado fisiológico da célula. Quando exposto a 45°C durante um período de 6 h, o crescimento do fungo em sistema overculture foi fortemente afetado, não recuperando sua velocidade de crescimento normal quando a temperatura retornou para 34°C. O mesmo ocorreu com a velocidade de consumo de oxigênio e com a produção da glucoamilase nos biorreatores de coluna. Quando a temperatura foi elevada para 40°C, os efeitos foram mais amenos, mas não houve recuperação da produção da enzima quando a temperatura retornou para 34°C, nem recuperação da velocidade de consumo de oxigênio, e tampouco da velocidade de crescimento nos cultivos em overculture. Uma observação importante foi que o surgimento dos efeitos negativos da alta temperatura, refletidos na velocidade de crescimento dependeu do tempo de cultivo em que os aumentos de temperatura foram impostos. O modelo matemático gerado para a cinética de crescimento se ajustou razoavelmente bem aos dados experimentais com um único conjunto de parâmetros e sua natureza empírica o torna simples e apto para ser incorporado dentro um modelo de biorreator de cultivo no estado sólido

The kinetics of growth of the fungus Rhizopus oryzae in solid-state fermentation were evaluated in non-isothermal conditions, both in an overculture system and in column bioreactors. The study was undertaken in four main parts. The first part involved the selection of media and culture conditions for the two culture systems and determination of the optimum temperature of growth. The second part involved the cultivation of the fungus in non-isothermal conditions, with measurement of the oxygen uptake rate and production of glucoamylase in the column bioreactors. The third part involved the and direct measurement of the dry biomass in the overculture system. In this system cultures were initially incubated at the optimum growth temperature of 34°C and then exposed to either 40°C or 45°C for a period of 6 h during the growth cycle, before returning to 34°C. In three different treatments cultures were exposed to the high temperature 15, 18 and 24 h after inoculation. The fourth part involved the development of an empirical mathematical model to describe the overculture results. This model postulates that growth is controlled by the level of an intracellular "essential component", denominated F, which also plays a role in its own synthesis and suffers thermal denaturation. That is, the level of the component F represents the physiological state of the biomass. The growth of the fungus in the overculture system was strongly affected by exposure to 45°C: the dry biomass decreased during the exposure and the fungus was unable to recuperate its normal growth rate when returned to 34°C. Similar effects were noted with respect to oxygen consumption rates and glucoamylase production in the column bioreactors. Most notably, glucoamylase production ceased when the culture was exposed to 45°C and did not recover when it was returned to 34°C. When the temperature was elevated to 40°C, the effects were less drastic, with only a very slight loss of dry biomass in overculture. However, in column bioreactors glucoamylase production did not restart when the culture was returned to 34°C, nor did the oxygen uptake rate return to normal values. An important observation was that the magnitude of the negative effects of high temperature depended on the time after inoculation at which the exposure was imposed. The mathematical model that was developed was able to describe the experimental growth profiles reasonably, using a single set of parameters. It is sufficiently simple to be suitable for incorporation into mathematical models of solid-state fermentation bioreactors.