Separação selectiva de microrganismos por filtração anisotrópica

Abstract

A filtração de células da fase líquida é uma operação em grande expansão em biotecnologia, na indústria alimentar e de bebidas ou no tratamento de águas residuais. Devido ao aumento da importância económica destas indústrias torna-se necessário interpretar, de forma correcta os dados obtidos de filtrações, principalmente porque, pode influenciar a escolha do método de filtração. É neste contexto que surge o trabalho apresentado de seguida, que tem como objectivo a separação selectiva de microrganismos por filtração anisotrópica. Sabe-se que é possível construir meios filtrantes anisotrópicos com tortuosidade controlada, usando para o efeito empacotamentos com diferentes proporções de esferas de vidro de distintos diâmetros. Tentaram-se compreender as relações entre a tortuosidade e a difusão ou a eficácia de separação/resolução de misturas de dois microrganismos de forma morfológica diferente: as bactérias Lactobacillus bulgaricus e as leveduras Saccharomyces cerevisiae. As primeiras, como o próprio nome indica, apresentam a forma de bastonete, as últimas são células circulares. Mais tarde realizou-se também a separação de microesferas de poliestireno, para analisar o efeito do volume. Comparam-se os resultados obtidos com partículas de diferente volume e forma com um estudo alcançado com esferas de vidro. Nos empacotamentos experimentados verificou-se uma eluição com a ordem: microesferas, leveduras e bacilos. Estes resultados vão de acordo com o esperado. Observase a divergência entre a retenção das leveduras e a retenção dos bacilos: as células de fermento seguem um comportamento de cromatografia hidrodinâmica (HDC) enquanto os Lactobacillus bulgaricus se comportam pela lei de exclusão e têm uma retenção próxima à das partículas de vidro com 4 μm de diâmetro (com densidade 2.5 g/cm3). O retardamento significativo das células lineares pode ser, naturalmente, especulado como sendo devido à interacção dos Lactobacillus bulgaricus com a topologia dos poros. As microesferas sofrem separação de acordo com o princípio de HDC e são separadas com base no seu tamanho. Observam-se comportamentos completamente diferentes e que podem ser descritos pelo modelo de cromatografia hidrodinâmica entre leveduras ( d = 4.6 μm) e esferas de vidro de 4 μm, mas a densidade das primeiras é cerca de 2.5 vezes inferior à das esferas de vidro. Testou-se um empacotamento binário com fracção volúmica de partículas esféricas de maior dimensão 0.7, um empacotamento com as partículas de maior dimensão e outro com partículas de menor dimensão desse leito binário. Comparando os empacotamentos conclui-se que a separação é melhorada pela aplicação de um empacotamento binário. É este o que apresenta maior selectividade às partículas testadas, e permite obter picos mais definidos. No fundo, o empacotamento binário oferece maior resistência, o que o torna, para o objectivo proposto, o mais interessante e, consequentemente, mais importante a nível industrial.

Liquid phase cell filtration is an expanding process in biotechnology, in the food and beverage industry or wastewater treatment. Due to the increasing economical importance of those industries it becomes necessary to interpret, in a correct way, the data filtration, mainly because it may influence the choice of the filtration method. In this context the work that is presented here was created with the purpose the selective separation of microorganisms by the process of anisotropic filtration. It is known that is possible to build anisotropic porous media with controlled tortuosity, using for the desired effect, packages with different proportions of glass spheres of different diameters. It has been attempted to understand the relationships between the tortuosity and the diffusion or the effectiveness of separation/resolution of mixtures of two microorganisms in a different morphologic way: the bacteria Lactobacillus bulgaricus and the yeasts Saccharomyces cerevisiae. The former ones are rod-shaped, whereas the latter ones are circular cells. Later on the separation of microspheres of polystyrene has also been performed, to analyze the effect of the particles volume. The observed results were compared with particles of different volume and shape with the help of glass spheres. In the experimented packages, an elution was observed according to the order: microspheres, yeasts and bacilli. These results are in agreement with the expectations. A deviation is seen between the yeasts and the bacilli retention: yeast cells are separated according to hydrodynamic chromatography (HDC) whereas Lactobacillus bulgaricus behave is separated according to the exclusion law and has a retention similar to the one of the glass particles with 4 μm diameter (with density 2.5 g/cm3). The significant retardation of the rod-like cells might be atributed to the interaction of the Lactobacillus bulgaricus with the pores topology. The microspheres withstand a separation according to the principle of HDC and are separated according to their size. Completely different behaviours are observed, that can be described by the model of hydrodynamic chromatography between yeasts ( d = 4.6 μm) and glass spheres of 4 μm, but the density of the first ones is about 2.5 times less to the one of the glass spheres. A binary package was tested using 0.7 volume fraction of larger spherical particles, a package with the particles of larger dimension and other one with particles of smaller dimension of the first binary bed. Comparing the packings it can be concluded that the separation is improved by the application of binary packing. It is this packing that presents the largest selectivity of the tested particles, and leads to better-defined peaks. In the end, the binary packing offers also a larger resistance that makes it, for the proposed goal, the most interesting and, therefore, the most important for industrial purposes.