Estudo da formação de filmes biológicos por Pseudomonas fluorescens e dos efeitos associados à transferência de massa interna e à incorporação de partículas de caulino

Abstract

Na primeira parte desta tese, após uma breve introdução sobre a ocorrência e importância dos biofilmes, apresenta-se uma revisão bibliográfica dos pontos mais relevantes para a discussão dos resultados experimentais obtidos. Aqui, dá-se particular importância ao comportamento dos microrganismos, as fases de formação da pelicula microbiológica e ao modelo geral descritivo do seu desenvolvimento. Por último, tratam-se alguns factores que afectam a formação e propriedades do filme, nomeadamente os efeitos da velocidade, das partículas inertes, da rugosidade, das alterações das condições de operação e da presença de ires metálicos.

Na segunda parte do trabalho, para além da descrição das instalações experimentais, apresentam-se os resultados obtidos e as conclusões. Utilizaram-se três instalações experimentais distintas (partilhando no entanto todas elas a zona de preparação do fluido biológico), onde foram realizados, ensaios de transferência de calor, de transferência de massa e de adesão inicial. E ainda descrito o modo de determinação de espessuras e massas e biofilmes e os métodos de cálculo utilizados.

Os ensaios de adesão inicial permitiram avaliar o efeito do tipo de superfície metálica na adesão da Pseudomonas fluorescens. Foram utilizadas três superfícies metálicas diferentes -o alumínio, o cobre e o latão com duas velocidades do fluido em contacto com a superfície. Concluiu-se que o tipo de superfície metálica influencia a adesão inicial de bactérias, provavelmente pela influência dos metais no metabolismo bacteriano. Além disso, a eficiência de adesão à superfície aumenta com o tempo.

Nos ensaios de transferência de calor foram avaliados os efeitos da velocidade do fluido na acumulação espessura, densidade e resistência mecânica do biofilme, da supressão de nutrientes e de bactérias da corrente fluida em várias condições hidrodinâmicas e da concentração de nutrientes na quantidade de biofilme acumulado. Concluiu-se que a acumulação de biofilme, nestas condições de operação, diminui com o aumento da velocidade e é devida essencialmente ao crescimento, reprodução e produção de produtos extracelulares, não parecendo relevante a adesão de novas bactérias. O biofilme parece ser constituído por duas camadas distintas, a camada activa e a camada não activa. Por último, verificou-se que biofilmes formados a velocidades mais elevadas são mecanicamente mais resistentes e silo mais compactos. Foram ainda realizados ensaios com suspensões mistas bactérias/partículas de caulino, tendo sido avaliado os de na acumulação do biofilme e da supressão de nutrientes da corrente fluida. A acumulação de biofilme e altamente dependente da velocidade a que o biofilme e formado, sendo, neste caso, superior a obtida com suspensões de bactérias, nas mesmas condições hidrodinâmicas.

Por último foram realizados ensaios de transferência de massa em biofilmes formados por suspens6es de Pseudomonas fluorescens com e sem partículas de caulino, ao longo do tempo, e em diferentes condições hidrodinâmicas. Concluiu-se que os coeficientes de transferência de massa no interior do biofilme tendem, em estado estacionário, para um valor praticamente independente da velocidade, contrariamente ao observado na fase inicial. A transferência de massa no interior dos biofilmes mistos e mais fácil, o que conjugado com os resultados referidos anteriormente para os biofilmes mistos, permite afirmar que a sua estrutura e mais expandida.

Os resultados experimentais coligidos ao Iongo deste trabalho permitiram desenvolver um modelo matemático do biofilme, baseado nos modelos de difusão-reação da catálise heterogénea. A aplicação deste modelo aos dados experimentais mostrou que a fração de biofilme penetrado pelo substrato depende das condições hidrodinâmicas a que o biofilme e sujeito; que biofilmes formados a velocidades mais elevadas são mais eficientes e que a taxa específica de produção de biofilme e praticamente independente da velocidade do fluido que contacta o biofilme. Também se mostrou a validade de um modelo do tipo do de Kern e Seaton (desenvolvido para descrever o desenvolvimento de um depósito inerte) na descrição da formação dos depósitos biológicos.

In the first part of this thesis, after a brief introduction about the occurrence and importance of biofilms, a bibliographic survey of the more relevant topics used in the discussion is made. The main subjects focused in this part is the behaviour of microorganisms, the processes that contribute to biofilm formation, and the model that describes the accumulation of the microbiological pellicle. At last, some of the factors that influence the formation and the properties of the film are referred to, namely the effect of fluid velocity, inorganic particles, roughness, changes in the operation conditions and the presence of metallic ions.

In the second part, besides the description of the experimental apparatuses used, the data and the conclusions obtained are presented. Three different experimental rigs were used where the heat transfer, mass transfer and initial adhesion experiments were carried out. It is also described how the thickness and mass of the biofilms were determined and the calculation methods.

In the heat transfer experiments the following aspects were evaluated the effects of the fluid velocity on biofilm accumulation, density and cohesive strength of the microbial deposit, the suppression of nutrients and bacteria from the flowing suspension in different hydrodynamic conditions and the concentration of nutrients on the amount of biofilm accumulated. The results indicate that the biofilm accumulation under these operation conditions, is mainly due to growth, reproduction and production of extracellular products, and not to the adhesion of new cells to the biofilm. There is some evidence that the biofilm may be constituted by two layers, the active layer and the non-active layer. It is also shown that the mechanical resistance and the compactness of the biofilm increases with velocity.

The effects of fluid velocity on the accumulation of the deposit and the effects of the suppression of nutrients from the flowing suspension were also determined on biofilms formed by mixed suspensions of Pseudomonas fluorescens and kaolin particles. The amount of biofilm accumulated is also dependent on the fluid velocity, and is higher than the one obtained with the bacteria suspension, for the same hydrodynamic conditions.

Finally, mass transfer experiments in biofilms formed by Pseudomonas fluorescens suspensions with and without kaolin particles are reported, in different stages of biofilm formation and different hydrodynamic conditions. The biofilm mass transfer coefficients in steady state are similar for all the velocities used, contrary to the observed during the initial stages of biofilm formation. It is also shown that the mass transfer inside the mixed biofilms is easier, probably due to a more expanded structure.

The experimental results collected allowed the development of a mathematical model of the biofilm, based on the diffusion-reaction models of heterogeneous catalysis. The application of this model showed that the fraction of the biofilm penetrated by the substrate is dependent on the hydrodynamic conditions under which the biofilm is formed; that biofilms formed at higher velocities are more efficient and that the average specific production rate of the biofilm is not dependent on the velocity of the fluid that contacts the pellicle. It was also shown the validity of a model similar to that of Kern and Seaton (used to describe the development of an inert deposit) on the description of the formation of a biological deposit.

Dans la première partie de cette thèse, après une brève introduction sur l'occurrence et l’importance des biofilms, on a concentré l’attention sur les points plus importants pour la discussion des résultats. Ici, on a donné une importance particulière au comportement des microorganismes, aux différentes phases de formation de la pellicule microbiologique et au modèle descriptif de son développement. Finalement on a étudié quelques facteurs qui affectent la formation et les propriétés du biofilm, en particulier, l'effet de la vitesse, des particules inertes, de la rugosité, des changements des conditions d'opération et la présence des ions métalliques.

Dans la deuxième partie du travail on a décrit les installations expérimentales et on a présente les résultats obtenus et les conclusions. On a travaillé avec trois installations expérimentales différentes ou on a fait des essais de transfert de chaleur, de transfert de matière et d'adhésion initiale. Encore, on a décrit la façon de mesurer l’épaisseur et la masse du biofilm et les méthodes de calcul utilises.

Les essais d'adhésion initiale ont permis d'évaluer l'effet du type de surface métallique du support sur l'adhésion de Pseudomonas fluorescens. On a utilisé trois types de surfaces métalliques, l'aluminium, le cuivre et le laiton, en réalisant des essais à deux vitesses différentes du fluide en contact avec la surface. Les résultats obtenus ont montré que le type de surface métallique influence l'adhésion initiale des bactéries, probablement dû à I ‘influence des ions métalliques Sur le métabolisme bactérien. On a vérifié aussi que I' efficacité de I ‘adhésion à la surface augmente avec le temps.

Dans les essais de tranfer de chaleur on a évalué l'effet de la vitesse du fluide sur I' accumulation, l'épaisseur, la densité et la résistance mécanique du biofilm. On a étudié aussi l'effet sur le biofilm, de la suppression des nutrients et des bactéries dans le fluide pour plusieurs conditions hydrodynamiques, et l'effet de la concentration en substrat sur la quantité de biofilm accumulée. En conclusion on peut dire que I' accumulation du biofilm dans ces conditions d'opération diminue avec l'augmentation de la vitesse du fluide. L'accumulation est le résultat de la croissance, reproduction et formation des produits extracellulaires, et non du à l'adhésion de nouvelles bacteries. Le biofilm parait être forme par deux couches distinctes, la couche active et la couche non-active. En dernier on a constaté que les biofilms formés à des vitesses plus élevées sont mécaniquement plus résistants et plus compacts. On a aussi effectué des essais avec des suspensions mixtes de bactéries/particules de caulim, pour évaluer l'effet de la vitesse du fluide sur I' accumulation du biofilm et l’effet de la suppression des nutrients sur le fluide. L'accumulation du biofilm est très dépendante de la vitesse à laquelle le biofilm a été forme. Pour les mêmes conditions hydrodynamiques, I ‘accumulation de biofilm dans le système bactéries/particules de caulim est supérieure au cas où le biofilm est forme seulement pour des bactéries.

Finalement, on a réalisé des essais de transfert de matière au cours de la formation des biofilms, formes pour des suspensions de Pseudomonas fluorescens avec et sans particules de caulim et dans différents conditions hydrodynamiques. Les résultats obtenus montrent que les coefficients de transfert de matière a l'intérieur des biofilms, en état stationnaire est pratiquement indépendants de la vitesse, au contraire de ce qu'on a observé dans la phase initiale de formation du biofilm. Le transfert de matière à l'intérieur des biofilms mixtes (bactéries/particules de caulim) est plus facile, et en tirant une conclusion plus générale, avec tous les résultats expérimentaux obtenus, on peut dire que sa structure est moins compacte.

Le groupement des résultats obtenus pendant ce travail a permis de développer un modelé mathématique pour le biofilm, base dans les modelés de réaction-diffusion de la catalyse hétérogène. L'application de ce modèle aux résultats expérimentaux a montré que la portion du biofilm pénètre par le substrat dépend des conditions hydrodynamiques dans lesquelles le biofilm a été forme; les biofilms formes a des vitesses plus élevées sont plus efficaces et le taux spécifique de production du biofilm est pratiquement indépendant de la vitesse du fluide qui contacte le biofilm. On a montré aussi la validité du modèle de Kem et Seaton (développé pour décrire la croissance d'un dépôt inerte) dans la description de la formation des dépôts biologiques.