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Modelagem matemática do crescimento de fungos filamentosos sobre superfícies úmidas e nutritivas em contato com o ar

Use este link compartilhar ou citar este material: http://educapes.capes.gov.br/handle/1884/24306
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MetadadosDescriçãoIdioma
Autor(es): dc.contributorMitchell, David Alexander-
Autor(es): dc.contributorUniversidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química-
Autor(es): dc.creatorCoradin, Juliana Hey-
Data de aceite: dc.date.accessioned2019-08-22T00:12:45Z-
Data de disponibilização: dc.date.available2019-08-22T00:12:45Z-
Data de envio: dc.date.issued2018-04-16-
Data de envio: dc.date.issued2018-04-16-
Data de envio: dc.date.issued2010-
Fonte completa do material: dc.identifierhttp://hdl.handle.net/1884/24306-
Fonte: dc.identifier.urihttp://educapes.capes.gov.br/handle/1884/24306-
Descrição: dc.descriptionOrientador : Prof. Dr. David Alexander Mitchell-
Descrição: dc.descriptionDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. Defesa: Curitiba, 27/08/2010-
Descrição: dc.descriptionBibliografia: fls.137-141-
Descrição: dc.descriptionResumo: O crescimento de fungos filamentosos sobre superfícies úmidas e nutritivas em contato com o ar é um fenômeno importante em processos de grande destaque, como na fermentação no estado sólido (FES) e na decomposição da matéria orgânica. Ele ocorre por meio do aumento de biomassa através de estruturas fúngicas individuais que se assemelham a "tubos" microscópicos, conhecidas como hifas. Dentro delas ocorre um conjunto de fenômenos físicos e biológicos que já estão bem caracterizados isoladamente, mas que pouco se sabe sobre como interagem. Entender a interação entre os fenômenos é fundamental para compreender como ocorre a distribuição da biomassa acima das superfícies destes sistemas. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi de desenvolver um sistema matemático que permitisse estudar os diversos fenômenos físicos e biológicos importantes no crescimento de fungos filamentosos sobre a superfície de meios úmidos e nutritivos em contato com o ar. Dois submodelos foram desenvolvidos: primeiro, foi desenvolvido um modelo discreto para o crescimento do micélio fúngico no espaço aéreo acima da superfície de inoculação. Nele, cada hifa era representada por um conjunto de cubos alinhados no espaço ridimensional. Foi proposta a existência de dois tipos de biomassa: uma chamada vegetativa, bastante ramificada e que crescia em pequenas alturas até o momento da diferenciação; e a outra chamada de reprodutiva, menos ramificada, mais veloz e que crescia após o momento da diferenciação. Ao longo do crescimento, se uma hifa se encostasse em outra, ela poderia se redirecionar algumas vezes, porém em um número limitado de vezes até se tornar inativa. A incorporação dessas biomassas e do número limitado de redirecionamentos foi fundamental para que o modelo descrevesse razoavelmente os dados experimentais disponíveis na literatura, onde o perfil era de uma alta densidade de biomassa decrescendo até 1 mm de altura e uma densidade baixa e constante até 3,5 mm. Foi também demonstrado que o sistema é flexível o suficiente para que regras sejam alteradas ou adicionadas para simular outras sit ações. Segundo, foi desenvolvido um modelo para simular o crescimento de uma única hifa como um conjunto de tanques em série. Foram incorporadas a difusão intracelular de glucose e a evaporação de água pela ponta da hifa, a qual gerava um fluxo convectivo de líquido dentro dela. Com isso, a glucose era transportada a partir do início da hifa até à ponta, local onde ocorriam reações para sustentar o crescimento. O modelo mostrou que apenas com a difusão os nutrientes chegavam até a ponta a uma velocidade tal que a hifa estendia até 1 mm e altura nas 40 h simuladas. Por outro lado, com fluxo convectivo, a velocidade de translocação de nutrientes aumentava, a glucose chegava mais rapidamente até à ponta e a hifa alongava mais rapidamente, chegando até a uma altura de 3,5 mm em 40 h de simulação. O modelo foi calibrado de modo que possa ser incorporado ao modelo do crescimento do micélio, e então um modelo que reúna e integre a distribuição espacial da biomassa e translocação de nutrientes possa ser desenvolvido.-
Descrição: dc.descriptionAbstract: The growth of filamentous fungi on the surfaces of solid nutrient particles that are surrounded by an air phase is important in natural processes such as the degradation of organic matter and artificial cultivation processes such as solid-state fermentation. This growth occurs in the form of microscopic tubules, known as hyphae. The various biological and physical phenomena that occur within hyphae have been studied, but little is known about how they interact to control hyphal growth. An understanding of these interactions would lay the basis for understanding the distribution patterns of aerial hyphae within these systems. In this context, the objective of the current work was to develop a mathematical system for investigating the interactions amongst the various physical and biological phenomena that occur within aerial hyphae growing on moist solid nutritive surfaces in contact with an air phase. Two submodels were developed. In the first part of the work, a discrete model was developed to describe the growth of a fungal ycelium into the air space above a solid surface inoculated with spores. In this model, each hypha is represented by a set of contiguous cubes within a three dimensional control volume. Two types of biomass are included in the model: Vegetative biomass grows in a highly branched manner, occupying the air space near to the surface until the time of differentiation, after which reproductive hyphae, which extend more uickly and branch less frequently, grow away from the solid surface. During growth, if a hyphal tip bumps into a pre-existing hypha, it can choose another growth direction. However, if this happens several times, then the hyphal tip becomes inactive and that hypha ceases to extend. The incorporation of two types of biomass and rules for inactivation of hyphal tips was necessary in order for the model to be able to describe literature data for the density of aerial hyphae. These data show a high density of biomass until 1 mm above the surface and then a low biomass density up to 3.5 mm. The model system can easily be adapted with the incorporation of new rules in order to describe mycelial growth in other situations. In the second part of the work, a model, based on the n-tanks-in-series approach, was developed to simulate the growth of a single aerial hypha. The model describes intracellular diffusion of glucose and the evaporation of water from the hyphal tip, with this evaporation causing a convective flow within the hypha. In this manner, glucose is transported from the beginning of the hypha to the tip, where the reactions supporting hyphal extension occur. Simulations with the model suggest that if diffusion were the only mechanism by which nutrients reached the hyphal tip, then the hypha would only extend 1 mm over a 40 h period. On the other hand, with convective flow, the rate of nutrient supply to the tip would be sufficient to allow the hyphae to extend 3.5 mm over the same period. In the future, this transport submodel could be incorporated into the model of mycelial growth developed in the first part of the work, thereby producing a model that describes how the translocation of nutrients within aerial hyphae affects their spatial distribution.-
Formato: dc.format141f. : il. [algumas color.], grafs., tabs.-
Formato: dc.formatapplication/pdf-
Formato: dc.formatapplication/pdf-
Relação: dc.relationDisponível em formato digital-
Palavras-chave: dc.subjectEletroquimica-
Palavras-chave: dc.subjectFísico-química-
Palavras-chave: dc.subjectModelos matemáticos-
Palavras-chave: dc.subjectFungos filamentosos-
Palavras-chave: dc.subjectQuímica-
Título: dc.titleModelagem matemática do crescimento de fungos filamentosos sobre superfícies úmidas e nutritivas em contato com o ar-
Tipo de arquivo: dc.typelivro digital-
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