UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE TECNOLOGIA
Leonardo Rey Oliveira Lopes
PRODUÇÃO ANAERÓBIA DE BIOGÁS A PARTIR DA VINHAÇA DE
CANA DE AÇÚCAR: EFEITO DA ADIÇÃO DE NANOPARTÍCULAS
DE ÓXIDO DE FERRO
Limeira
2019
Leonardo Rey Oliveira Lopes
PRODUÇÃO ANAERÓBIA DE BIOGÁS A PARTIR DA VINHAÇA DE
CANA DE AÇÚCAR: EFEITO DA ADIÇÃO DE NANOPARTÍCULAS
DE ÓXIDO DE FERRO
Dissertação apresentada à Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestre em Tecnologia, na área de Ciência dos Materiais.
ORIENTADOR: DIEGO STÉFANI TEODORO MARTINEZ
ESTE TRABALHO CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO
LEONARDO REY OLIVEIRA LOPES, E ORIENTADA PELO PROF. DR. DIEGO STÉFANI TEODORO MARTINEZ
Limeira
2019
FOLHA DE APROVAÇÃO
Abaixo se apresentam os membros da comissão julgadora da sessão pública de defesa de dissertação para o Título de Mestre em Tecnologia na área de concentração de Ciência dos Materiais, a que submeteu o aluno LEONARDO REY OLIVEIRA LOPES, em 03 de maio de 2019 na Faculdade de Tecnologia - UNICAMP, em Limeira/SP.
Prof. Dr. Diego Stéfani Teodoro Martinez
Presidente da Comissão Julgadora
Prof.ª Dra. Marta Siviero Guilherme Pires
Faculdade de Tecnologia - UNICAMP
Prof. Dr. Luelc Souza da Costa
LNNANO – Centro Nacional de Pesquisas em Energias e Materiais
Ata da defesa, assinada pelos membros da Comissão Examinadora, consta no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria de Pós-Graduação da FT - UNICAMP.
Dedico à:
DEUS, JESUS CRISTO e MARIA.
E a eles: Geisa, Ryhan, Graça e Chicão.
Agradecimentos
Agradeço ao Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) do Centro
Nacional Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) e empresa Omnis
Biotecnologia S.A. pela oportunidade de cooperação técnico-científica (Projeto
NanoFe+) essenciais para a realização deste trabalho.
Agradeço ao meu professor, orientador, e antes de tudo, meu grande amigo
Diego.
RESUMO
O principal objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da adição de nanopartículas óxido de ferro em biodigestores anaeróbios de vinhaça (maior resíduo agroindustrial brasileiro oriundo da produção de etanol e açúcar), visando o aumento da produção de biogás (bioenergia). Inicialmente, as nanopartículas foram sintetizadas pelo método de co-precipitação em escala laboratorial (reatores de 2 L), e em seguida, foi realizado o escalonamento desta síntese empregando reatores de 40 L. As nanopartículas produzidas e dispersões foram caracterizadas através das seguintes técnicas: TEM, XRD, FTIR, TGA, UV-Vis, DLS, DCS e SQUID. As nanopartículas obtidas (11-17 nm) foram incubadas em biodigestores anaeróbios de vinhaça para avaliação do volume de biogás produzido e atividade metanogênica específica (AME). Ao longo deste trabalho foram utilizados biodigestores contendo 800 mL de lodo ativo microbiológico, 1000 mL de vinhaça bruta e dispersões contendo as nanopartículas. Após a padronização do funcionamento dos biodigestores, foram realizados experimentos comparativos de biodigestão da vinhaça para avaliação do efeito das nanopartículas produzidas em diferentes concentrações: 60, 120, 240, 270, 300, 500 e 1000 ppm. Nossos resultados demonstraram que a melhor concentração de nanopartícula foi 270 ppm, onde verificamos um aumento na produção de biogás/AME, com taxas variando de 5% até 57% de aumento. Contudo, estes resultados demonstram uma baixa reprodutibilidade do sistema empregado (biodigestores de batelada). Através de análises quantitativas do teor de ferro pela técnica de ICP-OES, foi demonstrado que as nanopartículas ficam acumuladas principalmente no lodo microbiológico e apresentam uma baixa taxa de dissolução na vinhaça. A interação entre os microrganismos e as nanopartículas precisa ser melhor elucidada, uma vez que foi verificado aumento na produção de biogás e não foi verificado toxicidade para o digestor anaeróbio após adição das nanopartículas, mesmo em altas doses (1000 ppm). Todavia, é recomendado a continuidade deste trabalho empregando biodigestores de vinhaça de fluxo contínuo. Com base nos resultados experimentais obtidos, concluímos que as nanopartículas de óxido de ferro são promissoras nanomateriais para aplicação em biodigestores anaeróbios de vinhaça para aumento da produção de biogás e geração de energia limpa e renovável.
ABSTRACT
The main objective of this work was to evaluate the effects of iron oxide nanoparticles addition in anaerobic biodigestors of vinasse (the largest Brazilian agroindustry residue from production of ethanol and sugar), aiming to increase the production of biogas (bioenergy). Initially, the nanoparticles were synthesized by the co-precipitation method on a laboratory scale (2 L reactors), and then the synthesis was performed using 40 L reactors. The produced nanoparticles and dispersions were characterized by the following techniques: TEM, XRD, FTIR, TGA, UV-vis, DLS, DCS and SQUID. The nanoparticles obtained (11-17 nm) were incubated in the vinasse biodigesters to evaluate the volume of biogas produced and the specific methanogenic activity (AME). During this project, biodigesters containing 800 mL of microbiological active sludge, 1000 mL of crude vinasse and formulations containing the nanoparticles were used. After the standardization of the biodigesters operation, comparative experiments of vinasse biodigestion were carried out to evaluate the effect of the nanoparticles produced at different concentrations: 60, 120, 240, 270, 300, 500 and 1000 ppm. Our results demonstrated that the best nanoparticle concentration was 270 ppm. In this concentration, it was observed an increase in biogas/AME production, with rates ranging from 5% to 57%. However, these results demonstrate a low reproducibility of the system used (batch biodigesters). By means of quantitative analyzes of the iron content by the ICP-OES technique, it was demonstrated that the nanoparticles accumulate mainly in the microbiological sludge and present a low dissolution/leaching rate in the vinasse. Thus, the interaction between microorganisms and nanoparticles is promising and needs to be better elucidated, since there was an increase in biogas production and no toxicity of the nanoparticles applied at anaerobic digester was verified, even at high doses (1000 ppm). However, the continuity of this work using continuous flow system biodigesters is recommended. Finally, we concluded that iron oxide nanoparticles are promising nanomaterials to be applied in anaerobic biodigestors of vinasse for enhancing the biogas production towards clean and renewable energy generation.
Lista de Figuras
Figura 1: Fases da digestão anaeróbia...18 Figura 2: Diagrama de Transferência de Elétrons Inter Espécies mediante material condutivo.24 Figura 3:(A) Coleta de vinhaça em lagoa de distribuição por canais da usina Ester. (B) Tanque de
armazenamento da vinhaça da usina Ester. (C) Tanque de armazenamento de vinhaça de 1000 L para carregamento e (D) Veículo designado para transporte da vinhaça. ... 28
Figura 4:(A) Armazenamento da vinhaça in natura em bombonas de 50 L. (B) Coleta de vinhaça para
análise em laboratorio. (C) Frasco Shott de 2 L para armazenamento e montagem dos experimentos de biodigestão e (D) Câmara fria para armazenamento de vinhaça a 3°C. ... 28
Figura 5: (A) armazenamento de lodo ativo microbiológico em bombonas de 50 L. (B) lodo peneirado
para retirada de dejetos e sólidos. (c) armazenamento do lodo em Shott de 2L para uso no LNNano/CNPEM. ... 29
Figura 6: (A) Aparato para avaliação da produção de biogás - atividade metanogênica específica (AME)
durante a biodigestão anaeróbia de vinhaça instalado no Laboratório de Processos do LNNano/CNPEM. (B) Banho maria para manutenção da temperatura a 37 °C, e (C) Provetas para armazenamento e transferência de liquido na produção de biogás. ... 30
Figura 7: Produção das nanopartículas de óxido de ferro utilizando reatores de 2 L – escala laboratorial
(A,B) e reatores de 50 L – escala piloto (C,D) instalados no Laboratório de Processos do LNNano/CNPEM. ... 32
Figura 8: Procedimento para remoção e lavagem das nanopartículas de óxido de ferro da vinhaça
utilizando ímã neodímio. ... 35
Figura 9: Imagens de TEM e os respectivos histogramas de distribuição de tamanho das NPs de Fe3O4
sintetizados com NaOH. Síntese em diferentes volumes de reação e os respectivos histograma de distribuição de tamanho, (A,B) síntese no reator de 2L e (C,D) síntese no reator de 40,0 L. ... 36
Figura 10: (A) Imagem de TEM em alta resolução e (B) difração de elétrons em área selecionada
(SAED) das NPs-Fe3O4 sintetizadas com NaOH no reator de 2L. ... 37
Figura 11: Difração de raios-X NPs-Fe3O4-NaOH sintetizadas nos reatores de 2,0 L e 40,0 L.35 Figura 12: Medida das propriedades magnéticas das NPs de Fe3O4 sintetizadas com NaOH como
agente precipitante no reator de 2L. (A) Curva de ZFC/FC e (B) curvas de MxH medidas nas temperaturas de 2K e 300K. ... 39
Figura 13: Avaliação da estabilidade coloidal das dispersões de nanopartículas de óxido de ferro
(NPs-Fe3O4-NaOH-40L) em água deionizada (AD), água mineral reconstituída (AMR) e vinhaça (V). (A) Fotografia das dispersões das nanopartículas (270 ppm) após diferentes intervalos de tempo ( 0 a 300 min). (B) Monitoramento da estabilidade (%) das dispersão de nanopartículas através de absorbância em 500 nm (A0/Af) após diferentes intervalos de tempo de incubação. ... 40
Figura 14: Medidas de tamanho de partícula através da técnica de DCS para as dispersões de
nanopartículas de óxido de ferro (NPs-Fe3O4-NaOH-40L) em água deionizada (dispersão-estoque) e após incubação na vinhaça. Estas nanopartículas foram incubadas na vinhaça ( < 2 min) e em seguida efetuado as medidas de DCS. ... 41
Figura 15: Medidas de tamanho de partícula através da técnica de DCS para as dispersões de
nanopartículas de óxido de ferro (NPs-Fe3O4-NaOH-40L) em água deionizada (dispersão-estoque) e após sonicação (Cole-Parmer 8891) por 30 e 60 minutos. ... 42
Figura 16: Efeito das NPs-Fe3O4-TMAOH (50 ppm) na produção de biogás (AME) em biodigestores
de vinhaça. ... 44
Figura 17: Efeito das NPs-Fe3O4-NaOH-2L (60, 120 e 240 ppm) na produção de biogás (AME) em
biodigestores de vinhaça. As setas indicam o dia em que foi realizado a renovação da vinhaça nos biodigestores. ... 47
Figura 18: Efeito das NPs-Fe3O4-NH4OH (60, 120 e 240 ppm) na produção de biogás (AME) em
biodigestores de vinhaça. A seta indica o dia em que foi realizado a renovação da vinhaça nos biodigestores. ... 48
Figura 19: Efeito das NPs-Fe3O4-NaOH-40L (270 ppm) na produção de biogás (AME) em
biodigestores de vinhaça. A seta indica o dia em que foi realizado a renovação da vinhaça nos biodigestores. ... 49
Figura 20: Efeito das NPs-Fe3O4-NaOH-40L (270, 500 e 1000 ppm) na produção de biogás (AME)
em biodigestores de vinhaça. A seta indica o dia em que foi realizado a renovação da vinhaça nos biodigestores. ... 51
Figura 21: Quantificação do teor de íons ferro total na vinhaça após incubação das nanopartículas de
óxido de ferro (NPs-Fe3O4-NaOH-40L) através da técnica de ICP-OES. Foi realizado a incubação das nanopartículas (270 ppm) em vinhaça in natura (pH ácido 3,0-4,5) e vinhaça neutralizada (pH 6,5-7,5). As nanopartículas foram removidas da vinhaça antes da quantificação por ICP-OES utilizando um ímã neodímio. ... 54
Figura 22: Espectroscopia na região do infravermelho com o modulo ATR acoplado (FTIR-ATR).
NPs-Fe3O4-NaOH (preto), NP@vinhaça (vermelho) e NPs@lodo/vinhaça (azul). As regiões marcadas como 1 e 2 são regiões onde verificamos maiores diferenças entre as amostras. ... 58
Figura 23: Análise termogravimétrica (TGA) das NPs-Fe3O4-NaOH (preto), NP@vinhaça (azul) e
Lista de Tabelas
Tabela 1: Medidas de tamanho de partícula através da técnica de DLS para as dispersões de
nanopartículas de óxido de ferro (NPs-Fe3O4-NaOH) em água deionizada (dispersão-estoque) e após sonicação (Cole-Parmer 8891) por 30 minutos. ... 43
Tabela 2: Análise físico-química da vinhaça, vinhaça biodigerida e lodo microbiológico... 52 Tabela 3: Análise da razão Carbono:Nitrogênio (C/N) na vinhaça biodigerida controle e vinhaça
biodigerida NPs. ... 54
Tabela 4: Análise físico-química do lodo microbiológico após experimento de biodigestão. ... 56 Tabela 5: Análise de carga superficial (potencial-zeta) das nanopartículas de oxido ferro
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 13
1.1 Vinhaça: aspectos gerais e potencial energético ... 13
1.2 Bioenergia a partir da vinhaça: produção do biogás por digestão anaeróbia e metabolismo em reatores anaeróbios de fluxo ascendente... 15
1.3 Nanopartículas de óxido de ferro e a produção de biogás ... 19
2 OBJETIVOS ... 26
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 27
3.1 Materiais ... 27
3.2 Montagem dos biodigestores de vinhaça ... 29
3.3 Produção de nanopartículas de óxido de ferro ... 31
3.3.1 Síntese das NPs-Fe3O4 com NaOH...31
3.4 Caracterização físico-química das nanopartículas... 33
3.5 Preparação de dispersões e formulados contendo as nanopartículas de óxido de ferro para aplicação em biodigestores de vinhaça ... 33
3.6 Efeito das nanopartículas de óxido de ferro em biodigestores de vinhaça - Monitoramento da produção de biogás através da AME ... 33
3.7 Quantificação do Teor de ferro no lodo e vinhaça após experimentos de biodigestão e incubação das nanopartículas na vinhaça ... 34
3.8 Caracterização Química da Interação das Nanopartículas com Lodo/Vinhaça ... 35
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 36
4.1 Produção e caracterização físico-química das nanopartículas de óxido de ferro ... 36
4.2 Dispersão das nanopartículas – Estabilidade coloidal e tamanho das partículas em água deionizada e vinhaça ... 39
4.3 Efeito das nanopartículas de óxido de ferro em biodigestores de vinhaça - Monitoramento da produção de biogás ... 43
4.4 Quantificação do teor de ferro no lodo e vinhaça após experimentos de biodigestão . 51 4.5 Caracterização da interação das NPs e componentes químicos da vinhaça e lodo ... 57
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 60
1 INTRODUÇÃO
1.1 Vinhaça: aspectos gerais e potencial energético
O Brasil é um dos três maiores produtores mundiais de etanol, e o maior produtor de cana-de-açúcar atualmente. A cultura de cana-de-açúcar foi introduzida ainda no século XVI, durante o período colonial, sendo um dos motivos que proporcionou ao país ser também o primeiro do mundo na produção de açúcar e etanol de cana [1].
Estima-se que o consumo total de etanol em 2019 seja de 58,8 bilhões de litros, com consumo interno de 50 bilhões de litros e as exportações em 8,8 bilhões (Ministério da Agricultura, 2018). Porém, a produção de etanol e açúcar e seu potencial no Brasil está diretamente ligada a um resíduo peculiar a produção deste itens, o que pode ser um ponto negativo neste grande recurso agroindustrial que o país possui, juntamente com o grande volume de etanol e de açúcar produzido é gerado um volume ainda maior de vinhaça de cana de açúcar, resíduo com elevada carga orgânica, elevada acidez, alta temperatura na saída dos destiladores e grande potencial de impacto ambiental negativo [2].
No Brasil a vinhaça gerada da destilação do suco de cana de açúcar tem a proporção de 10 a 15 L de vinhaça para cada litro de Etanol produzido neste processo, atualmente o destino mais comum deste resíduo é a plantação de cana de açúcar, onde é realizado o processo de fertirrigação para atender as legislações ambientais vigentes que protegem principalmente os lançamentos indevidos em mananciais e a percolação junto as aguas subterrâneas, no entanto as legislações negligenciam a quantidade alta de matéria orgânica contida neste efluente, que pode ocasionar impactos negativos na atmosfera relacionados aos gases de efeito estufa, como metano e dióxido de carbono, já que devido as características dos solos e da vinhaça onde não temos um padrão a ser considerado pela legislação já que existem características diferentes entre as vinhaças e os solos de região para região e de destilaria para destilaria em todo o território brasileiro [1]. A vinhaça é uma água residuária muito concentrada em macro nutrientes e matéria residual orgânica, podendo atingir níveis acima de 60.000 mg/L de DQO (Demanda Química de Oxigênio), parâmetro que mede a quantidade de matéria orgânica existente em uma amostra líquida suscetível de ser oxidada por meios químicos, valor que está 100 vezes acima do normalmente encontrado em esgotos domésticos. Após seu resfriamento, o destino mais comum da vinhaça desde o final da década de 1970 é a fertirrigação, onde se despejada vinhaça in natura no solo sem tratamento prévio [2].
Esta aplicação baseia-se no fato da vinhaça apresentar elevadas concentrações de nitrato, potássio e matéria orgânica que podem alterar de forma benéfica o solo, promovendo mudanças nas propriedades químicas, favorecendo a disponibilidade de alguns elementos para as plantas [3]. No entanto, apesar de seu tradicionalismo, não está claro afirmar com segurança que esta ação não resulta em impactos ambientais. Sua aplicação excessiva pode resultar em danos cumulativos ao solo [3].
Desta forma, a vinhaça no Brasil é controlada por órgãos ambientais que se limitam a fiscalizar os volumes de aplicação deste resíduo orgânico diretamente no solo [4]. Além da característica fertirrigadora da vinhaça, temos já bastante conceituado o tema da digestão anaeróbia para produção de biogás e aproveitamento energético deste subproduto, como alternativa para reduzir seu teor de matéria orgânica e manter a maioria dos seus nutrientes em níveis ainda aproveitáveis ao plantio, a digestão anaeróbica pode ser aplicada ao tratamento da vinhaça [4].
Este processo de biodigestão vem sendo aplicado há muitos anos em vários países com eficiência e regularidade, trazendo benefícios ao tratamento de resíduos de diversos tipos e de diferentes níveis de cargas orgânicas, tais como: redução de carga orgânica em até 95%, neutralização do pH; baixa produção de lodo; produção de biogás e hidrogênio; sem perda de macro e micronutrientes para uso agrícola como N, P, K; além de ser um processo economicamente viável com baixo custo de implantação e manutenção [5].
O modelo de biorreator mais apropriado ao tipo de substrato como a vinhaça, composto muito concentrado e com baixo teor de sólidos totais (alta diluição), é o UASB (Upflow
Anaerobic Sludge Blanket), um reator anaeróbio híbrido de fluxo ascendente, que possui uma
manta de lodo na parte inferior, uma zona de sedimentação na parte superior, e o separador de fases gás-sólido-líquido [6]. Reconhecido pelo seu alto desempenho e baixos custos de operação e manutenção [7]. Comparado aos reatores convencionais, esse tipo de reator reduz o tempo de retenção hidráulica dos resíduos, pois é capaz de manter elevada concentração de micro-organismos em seu interior, através da recirculação externa ou retenção interna dos micro-organismos. O efluente quando chega ao reator, segue fluxo ascendente e atravessa a manta de lodo no fundo do reator (formada pela biomassa e sólidos suspensos).
O substrato, em contato com os micro-organismos da manta de lodo, proporciona condições nutricionais para que as bactérias deem início ao processo biológico e contribuirá para o crescimento da população microbiana, bem como redução da matéria orgânica em termos de DQO, e redução do caráter ácido da vinhaça, devido ao aumento do pH no sistema [8].
Após a biodigestão em biorreatores UASB, são gerados dois subprodutos a partir de um único substrato: vinhaça biodigerida (parte líquida) e o biogás (parte gasosa). O biogás é composto aproximadamente de 40 a 75% de metano, possui potencial calorífico grande, podendo ser utilizado para geração de energia elétrica através de conjunto gerador que consegue transformar esse poder calorífico em energia elétrica, cogeração (biogás de combustão em caldeiras industriais vapor/eletricidade) e combustível veicular, ressaltando que o biogás é uma fonte de energia limpa e renovável [9].
A produção de metano através da biodigestão da vinhaça e seu aproveitamento para a geração de bioenergia podem ser considerados importantes fatores socioeconômicos, além de agregar valores quanto à preservação do meio-ambiente. Tendo em vista a necessidade das últimas décadas de desenvolver fontes alternativas de energias (energias renováveis) como o bicombustível, considera-se importante o correto gerenciamento e disposição final da vinhaça, vistos como fatores decisivos na caracterização de auto sustentabilidade deste processo [10].
Ainda hoje no Brasil, a vinhaça é utilizada pelas usinas para a irrigação e devolução de nutrientes para a lavoura de cana de açúcar pois o seu tratamento para descarte em corpo d’água seria muito custoso. Pesquisadores chamam a atenção também para o problema da proliferação da espécie Stomoxys calcitrans, conhecida como mosca de estábulo, espécie esta, que em grandes quantidades diminuem o peso e produção de leite de bovinos e cavalos [11].
Esses compostos podem contaminar o solo, a fauna e flora presente na região, bem como contaminar o solo freático abaixo das plantações. Além do que a vinhaça possuindo esse potencial energético para a produção de biogás, está sendo subutilizada pelos produtores de biocombustível estão perdendo um nicho promissor e economicamente rentável quando utilizam a vinhaça apenas para a irrigação do plantio [12].
1.2 Bioenergia a partir da vinhaça: produção do biogás por digestão anaeróbia e metabolismo em reatores anaeróbios de fluxo ascendente
Anualmente, são produzidos mais de 25 bilhões de litros de etanol em mais de 415 usinas em operação no Brasil. Segundo projeções recentes, a produção de etanol deverá dobrar até 2022. A vinhaça é o principal subproduto da produção de etanol proveniente de cana de açúcar. Cada litro de etanol produzido gera 12 litros de vinhaça. Em outros termos, uma usina que processa cerca de 1,5 milhões de tonelada de cana por safra gera, aproximadamente, 1,5 bilhão de litros/ano de vinhaça. Ainda assim, notamos que a vinhaça é, atualmente, uma fonte de biometano e bioeletricidade inexplorada. Mais de 2.000 MW de capacidade poderão ser
instaladas, baseado em 630 milhões de toneladas de cana no Brasil, 50% produção etanol, 55% concentração de CH4 no biogás, 3,94 kWh/m3 CH4 e 58% fator de carga.
A digestão anaeróbica pode ser considerada como um ecossistema onde interagem diversos micro-organismos, trabalhando na conversão da matéria orgânica complexa em metano, gás carbônico, água, gás sulfúrico e amônia, além de novas células bacterianas. Os micro-organismos anaeróbios se utilizam de moléculas receptoras de hidrogênio e atuam de maneira simbiótica e sinérgica, o que envolve centenas de compostos e reações intermediárias que necessitam de enzimas e catalisadores específicos, ocorrendo assimilação da matéria orgânica pelas bactérias, essencial para o crescimento da população microbiana [13].
O processo de biodigestão anaeróbica possui várias etapas que ocorrem simultaneamente dentro do reator. Num primeiro estágio, denominado hidrólise, a matéria orgânica complexa é hidrolisada em materiais dissolvidos mais simples, as bactérias liberam enzimas que agem externamente, transformando moléculas complexas como celulose, proteínas lipídios , em açúcares, aminoácidos e ácidos graxos , onde se dá a primeira etapa da biodegradação da matéria orgânica [14].
Os compostos gerados na hidrólise são incorporados no interior das células microbianas onde serão convertidos em ácidos voláteis, dióxido de carbono, hidrogênio, álcoois e amônia pelas bactérias (podendo ser anaeróbicas ou facultativas) formadoras de ácidos, o que é chamada de fase acidogênica. Nessa fase, as bactérias facultativas são importantes, pois geram substrato para as bactérias anaeróbicas e eliminam qualquer traço de oxigênio, que pode ser fatal para bactérias estritamente anaeróbicas. Na fase acetogênica, bactérias acetogênicas oxidam os produtos gerados na etapa anterior resultando em H2, CO2 e acetato.
Por último, ocorre a metanogênese, onde compostos simples como o dióxido de carbono, hidrogênio molecular, ácido acético e metanol, gerados na etapa anterior, são metabolizados pelas Archaebacterias metanogênicas gerando CH4 e CO2; sendo que as
metanogênicas que produzem metano a partir do ácido acético são chamadas de acetoclásticas e as que produzem metano a partir de CO2 e H2 são as hidrogenotróficas. Caso o efluente a ser
tratado contenha compostos de enxofre (que é o caso da vinhaça) ainda ocorre a chamada
sulfetogênese, onde sulfatos, sulfitos e outros compostos sulfurados são reduzidos a sulfetos,
gerando H2S, devido ao sulfato funcionar como aceptor de elétrons durante a oxidação de
compostos orgânicos [15].
Contudo, fica claro que a relação entre os micro-organismos envolvidos no processo de biodigestão da vinhaça ocorre de maneira que, mudanças no teor de matéria orgânica e temperatura nos reatores acarretam a redução da produção de metano (micro-organismos
metanogênicos), com subsequente aumento da acidez (bactérias acidogênicas), o que pode comprometer todo o processo. O resultado de sobrecarga de entrada orgânica, ou pobre seleção de inóculo, são alterações microbiológicas e bioquímicas que podem prejudicar severamente o desempenho do reator anaeróbio. Um pequeno consórcio estável, capaz de catabolizar acetato e produzir metano quando propagado in vitro e avaliado como “potencial de bioaumentação”, torna-se uma ótima ferramenta para estimular a metanogênese em reatores acidificados.
Em um trabalho realizado com reatores em escala laboratorial, a utilização de um consórcio composto por bactérias acetoclásticas reduziu em poucos dias a acumulação de acetato, e a proporção de metano no biogás aumentou de 0,2 % para 74,4%. Por meio de ensaios específicos de PCR para avaliar a população microbiológica nos reatores experimentais, foi observado que enquanto a abundância de micro-organismos hidrogenotróficos manteve-se estável durante o período de recuperação, uma metanogênica acetoclástica, filogeneticamente semelhante à Methanosarcina sp., aumentou mais do que 100 vezes, e possivelmente pode ser a principal contribuinte para a recuperação do reator [16].
Outro trabalho discorreu sobre efeitos de inoculações específicas, manipulando comunidades microbianas em reatores, onde foram utilizados reatores de biogás de celulose operando em um período de 8 meses, sendo monitorados os teores de metano, pH, a eficiência de remoção de DQO e VFA (Volatile Fatty Acids - Ácidos Graxos Voláteis). Os resultados mostraram que a produção de biogás, concentração de ácidos graxos voláteis e pH foram diferentes para os reatores de biogás com inóculos diferentes, alguns reatores mostraram que onde há concentrações mais elevadas de acetato e propionato, os microrganismos não puderam converter eficazmente os orgânicos em metano, onde a produção de metano foi calculada para ser 413 mL de CH4/g de células, foram obtidos até cerca de 86 % do valor teórico [17].
Os microrganismos anaeróbios se utilizam de moléculas receptoras de hidrogênio e atuam de maneira simbiótica e sinérgica o que envolve centenas de compostos e reações intermediárias que necessitam de enzimas e catalisadores específicos. Acontece então à assimilação da matéria orgânica pelas bactérias, essencial para o crescimento da população microbiana. Embora as interações entre microrganismos envolvidos na produção de biogás sejam em grande parte desconhecidas, é comumente aceito que as Archaea metanogênicas são essenciais para o processo. Metanogênicos prosperam em vários ambientes, mas as comunidades mais extensivamente estudadas vêm de usinas de biogás. Alguns trabalhos mais recentes vêm abordando análises metagenômica de comunidades metanogênicas profundamente sequenciadas, que vem permitindo a comparação da diversidade taxonômica e
funcional, bem como a identificação de microrganismos diretamente envolvidos em vários estágios das vias de metanogênese. [19].
Figura 1: Fases dos grupos microbianos envolvidos no processo de biodigestão anaeróbia (Fonte:
Lettinga, Hulshof, Zeeman, 1996).
No processo de biodegradação hidrolítica ou hidrólise, as bactérias liberam enzimas que agem externamente, transformando moléculas complexas como celulose, proteína e gordura em açucares, aminoácidos e ácidos graxos de cadeia longa em moléculas de cadeias mais simples, onde se dá a primeira etapa da biodegradação anaeróbica da matéria orgânica [15].
Essa transformação das moléculas complexas em moléculas mais simples conduz à produção de ácido acético, além de outros ácidos, e seus respectivos sais, como o acetato, fase conhecida por hidrólise. Os compostos gerados na hidrólise são incorporados no interior das células microbianas onde serão convertidos em ácidos voláteis, dióxido de carbono, hidrogênio, álcoois e amônia pelas bactérias (podem ser anaeróbias ou facultativas, isto é, vivem com ou sem oxigênio) formadoras de ácidos, o que é chamada de fase acidogênica. [15].
Nessa fase, grande parte da biomassa microbiana é rapidamente assimilada. As bactérias facultativas são importantes, pois produzem alimento para as bactérias anaeróbias e eliminam qualquer traço de oxigênio (fatal para as bactérias anaeróbias), também nessa fase ácida os compostos resultantes são aproximadamente 51% acetato e 19% hidrogênio e os demais compostos reduzidos são ácidos graxos, voláteis, álcoois e lactatos, devido a ocorrência de alta
formação de acetato esta fase ácida é muitas vezes destacada da acidogênese e chamada de acetogênese [15].
Após a hidrólise e a acidogênese, acontece a metanogênese, onde compostos simples como o dióxido de carbono, hidrogênio molecular, ácido acético, acetato e metanol, gerados na etapa anterior, são metabolizados pelas bactérias metanogênicas, havendo desassimilação de metano e dióxido de carbono. Existe dúvida sobre quais produtos da fase de formação de ácidos são utilizados pelas bactérias formadoras de metano, mas é quase certo que mais de 70% de todo o metano formado provém do acetato, um sal oriundo da neutralização do ácido acético, e o restante do dióxido de carbono e hidrogênio [20].
1.3 Nanopartículas de óxido de ferro e a produção de biogás
Um dos materiais que tem demonstrado resultados promissores na melhoria da performance quando utilizados como aditivos em processos de digestão anaeróbia de acordo com diversas pesquisas, são compósitos contendo íons de ferro. A aplicação deste material nos biodigestores anaeróbios se torna até de certa forma óbvia, principalmente devido à baixa toxicidade e outras duas importantes características atribuídas a este material, o caráter de condutividade e o baixo custo deste material. Diversas fontes de Fe tem sido estudadas, visando aumento de performance ao serem aplicados como aditivos para o estímulo da digestão anaeróbia, um dos materiais que apresentaram melhores respostas é o Fe (III), pois sua redução favorece diretamente o processo de oxidação de ácidos orgânicos em compostos mais simples.
Estas diferentes formas de Fe quando utilizadas como aditivos em sistemas de digestão anaeróbia tem resultado em importantes melhorias na produção e incremento de metano. Um exemplo claro deste bom resultado foi observado ao se aplicar materiais como pó de ferro e sucata oxidada no lodo de digestores anaeróbios obteve resultados de melhoria na performance e rendimento de 30% relacionados a produção de metano, de acordo com os autores deste estudo, a redução dos óxidos de Fe (III) presentes na superfície das sucatas de ferro promoveram a aceleração do processo de hidrólise oxidativa microbiana nos compostos orgânicos de cadeia carbônica mais complexas para cadeias menores e mais simples, demonstrando o ganho na performance da digestão anaeróbia à partir da adição de materiais como o Fe III [46].
Ao serem inseridas partículas de ferro em um digestor anaeróbio, foi evidenciado que o mesmo respondeu com maior acumulação de consórcio microbiano de bactérias redutoras de ferro, em relação a mudanças na estrutura da comunidade microbiana e no desempenho do processo com a diminuição do tempo de retenção hidráulica (HRT - Hydraulic Retention Time,
tempo de permanência do substrato no reator) de 20 a 10 dias. O alto desempenho de metanização (um aumento de aproximadamente 40 % na produção de metano) pela bioaumentação foi sustentado até que o HRT fosse reduzido para 12,5 dias, sob condições ricas de Fe3+ (oxi-hidróxido férrico, 20 mM). A atividade redutora do ferro reforçada foi evidenciada pelo aumento do Fe2+, onde a proporção total de Fe mantida acima de 50 % durante as fases operacionais se manteve estável [47]. A estrutura da comunidade bacteriana mudou dinamicamente sobre as fases, e as transições da comunidade estiveram correlacionadas com as mudanças no desempenho do processo. Em geral, a bioestimulação com ferro e a bioaumentação combinadas, investigadas no estudo, mostraram-se eficazes para a produção de metano a partir de digestão anaeróbia [18]. Nas últimas décadas, as nanopartículas estão apresentando elevado potencial de aplicação em diferentes setores industriais, como materiais avançados, eletrônica, medicina, biotecnologia e meio ambiente devido as suas exclusivas propriedades físico-químicas [21]. Nanotecnologia aplicada a produção de bioenergia, no que se refere ao tamanho nanométrico, é importante ressaltar que as nanopartículas são suficientemente pequenas para permitir interações com moléculas receptoras orgânicas de diversas espécies de microrganismos, entre estas bactérias, protozoários e Archeas. Graças ao seu tamanho, as nanopartículas interagem com a superfície celular, podendo ser internalizadas, e com isso estimular o processamento de algum produto alvo, dependendo de seus mecanismos de interação entre moléculas orgânicas e nanomateriais.
Ao mesmo tempo, as nanopartículas exibem um tamanho grande o bastante para atuar em fenômenos de transporte de nutrientes como fósforo, potássio e nitrogênio ou mesmo metabólitos biológicos como ácidos graxos acetatos entre outros, o que permite um amplo espectro de aplicações, como por exemplo na área de microbiologia anaeróbia como a biodegradação da vinhaça um resíduo com alto poder poluidor devido a sua carga orgânica, cerca de 100 vezes ao efluente doméstico [7].
Também foi atribuído que a abundância de microrganismos que consomem hidrogênio, incluindo bactérias homoacetogênicas e metanogênicas hidrogenotróficas na presença das nanopartículas reduziram o acúmulo H2 e criou uma condição benéfica para a aceleração da
digestão anaeróbia, pois demonstraram um aumento na produção de biometano em 28% e diminuição de 58% na taxa de emissão de CO2 após a adição de nanopartículas de ferro
metálicas (50-60 nm) em biodigestores anaeróbios, indicando também uma melhoria na qualidade do biogás. [22].
Um exemplo prático foi a apresentação da digestão anaeróbia (AD - Anaerobic
de óxido de ferro. Após 20 dias de incubação no biodigestor, a produtividade de biometano aumentou em 43,5%, e a taxa de redução do lodo aumentou de 12,2 %., relacionando que as atividades das principais enzimas pela hidrólise e acidificação foram aumentadas após a adição de partículas de óxido de ferro [23].
Do ponto de vista das características desejadas para as nanopartículas de óxido de ferro, é necessário utilizar rotas de sínteses diferentes, pois características tais como tamanho, morfologia, e composição química, podem gerar propriedades diferenciadas. Algumas características magnéticas, como o superparamagnetismo, requer que as partículas de óxido de ferro sejam muito pequenas [24].
A literatura sobre o tema demonstra que fatores como tamanho de partícula e concentração das mesmas no leito reacional influenciam fortemente no processo de AD, sendo reportado vários métodos de síntese de óxido de ferro, tais como co-precipitação, hidrotermal, decomposição térmica, dentre outros sendo a principal diferença entre as rotas sintéticas o custo do processo e controle sobre as características estruturais do produto final [24].
O processo de metanogênese, é realizado pelo microrganismo Archaea, que tem um importante papel no ciclo do carbono, participando da decomposição da matéria orgânica em ecossistemas anaeróbios, como sedimentos, pântanos e esgoto. Sendo assim, estudos destas colônias de bactérias têm sido muito explorado, incluindo co-digestão e pré-tratamentos da biomassa, por hidrólise seletiva, aquecimento do resíduo, ou a adição de sais de ferro [25].
Para os microrganismos Archaea, como para todas as formas de vida, a homeostase do ferro é crítica. Na verdade, os íons Fe2+ e Fe3+ são essenciais para geração de energia e replicação de DNA, entre outras funções vitais. A facilidade com que íons de ferro tem aceitação ou perda de elétrons torna-se um cofator ideal e versátil para várias proteínas, enquanto o excesso de ferro pode facilmente gerar radicais livres altamente reativos e tóxicos que são prejudiciais para diferentes biomoléculas (ácidos nucleicos, proteínas, lipídios, e entre outros). Embora o ferro seja um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre, sua biodisponibilidade não é tão grande como seria de esperar já que a maioria está no estado insolúvel 3+ [26].
Com base na literatura atual observa-se que o uso de nanopartículas específicas poderiam melhorar ou apresentar inibição nos processos de tratamento biológico em biodigestores, dependendo do efeito dose-resposta [26]. Por exemplo, a exposição a longo prazo a 50 mg/L de NPs magnéticas de óxido de ferro levaram ao aumento do desempenho de remoção de nitrogênio em águas residuais. Contudo, um estudo sobre o efeito a longo prazo a adição de 1,4 mg/L de nanopartículas CuO de 37 nm na taxa AD de lodo granular anaeróbio
(AGS) em escala de laboratório de dois reatores operados por 43 dias sem CuO NPs no tempo de retenção hidráulica (TRH) de 24 h depois operado na TRH por 12 h com a adição de NPs CuO, a adição de CuO diminuiu produção de metano em 15% em comparação com o controle reator, após 126 dias, o TRH diminuiu para 6 h, o que resultou em uma diminuição significativa na produção de metano no reator contendo CuO e um aumento significativo do metano produção do reator de controle [27].
O efeito de NPs de CuO em cada uma das fases de metanogênese, hidrogenotrófica e acetoclástica foram registradas também pela adição de hidrogênio e acetato como substratos em tempos diferentes. Atividades de metanogênese mostraram uma diminuição significativa no caso de acetato, provando que as NPs de CuO inibem mais as atividades acetoclásticas do que as atividades hidrogenotróficas. [27]. Nesta mesma linha, estudos [28] a longo prazo demonstraram o efeito das nanopartículas de NPs de ZnO na AD de resíduos ativados por 105 dias, neste caso a diminuição na produção de biogás foi atribuída a presença de NPs de ZnO para a liberação de íons de ZnO. Além disso, o estudo não mostrou efeito significativo de NPs de ZnO em etapas de solubilização e acidificação do processo em AD, enquanto teve um efeito significativo na fase de hidrólise com ZnO em alta concentração. Houve forte inibição do processo de metanogênese e estes resultados confirmam que NPs de óxidos metálicos tem efeito inibitório maior à metanogênese acetoclástica do que a metanogênese hidrogenotrófica, conforme [27]. Foi descrito que o Cu e o Zn têm efeito inibitório ao material e que este efeito aumentará significativamente com o tempo. Assim como foi relacionada que a toxicidade das NPs é devida aos íons metálicos liberados [28].
Na digestão anaeróbica alguns autores mencionam em trabalhos recentes que a exposição a NPs de Fe reduziu efetivamente o H2S no biogás e promoveu significativamente a
produção de metano. Estes resultados indicaram que diferentes tipos de NPs podem mostrar comportamentos diferentes no tratamento biológico de processos, no entanto, novas diretrizes para o uso de diferentes NPs (por exemplo, nZVI, Ag, Fe2O3 e MgO) em digestão anaeróbica
deve ser estabelecida para melhorar a digestão anaeróbica do lodo e mitigar efeitos inibitórios. A digestão anaeróbica de lodo pode ser obtida usando comunidades microbianas complexas. Portanto, a diversidade de populações microbianas e a estabilidade da estrutura da comunidade bacteriana desempenham papéis importantes na anaerobiose e na digestão do lodo [29].
A análise de desempenho anaeróbico em biodigestores tem sido relatada na literatura desde as últimas décadas. A biodigestão envolve reações químicas lentas, isto significa que o alto tempo de retenção torna este sistema menos atraente. O conteúdo adicional de ferro no processo de digestão aumenta a taxa de produção, pois ajuda a reduzir o CO2 para formar CH4
e conforme ocorrência do aumento da quantidade do metano temos um aumento da qualidade do biogás. O ferro elementar em determinadas condições pode gerar radicais livres tóxicos no sistema adicional, sendo assim, são utilizados óxidos de ferro em pó, geralmente, as nanopartículas, que costumam catalisar melhor do que seus análogos em massa. Nanopartículas de óxido de ferro são produzidas pelo método do poliol e são adicionadas ao biodigestor para aumentar a taxa de produção de biogás [30]. Estudos recentes nesta área sugerem que o uso de nanopartículas de óxidos de ferro no biodigestor podem aumentar a taxa de produção de biogás de 40% para 200%, onde Casals e colaboradores (2014) utilizaram 100 ppm de nanopartículas de óxido de ferro de 7 nm e a produção de biogás aumentou em 180% [26].
Acordo estudos desenvolvidos, [31] o ferro de valência zero (ZVI) mostrou-se, na literatura, como um liberador doador de elétrons para a metanogênese durante o processo AD, resultando em um aumento na taxa de produção de biogás. Consequentemente, aumentando a área de superfície usando nano-zero valente de ferro (NZVI) deve ter efeito positivo sobre AD. Pesquisadores também investigaram os efeitos das nanopartículas de Fe e Fe3O4 nas bactérias
metanogênicas que é o principal interveniente na digestão anaeróbica do estrume do gado para produção de biogás [32].
Para este propósito, foram projetados biodigestores com sistema de produção de biogás para realização dos experimentos no Laboratório de Biogás da Universidade do Cairo. Tais aplicações foram selecionadas para aumentar o rendimento do biogás, percentagem do metano e diminuir o tempo de digestão. Preparar e caracterizar diferentes traços de metais de nanopartículas de Fe e Fe3O4, e estudar os efeitos dessas nanopartículas com diferentes
concentrações na produção de biogás (rendimento de biogás e percentagem de metano) do estrume animal em comparação com o material (FeCl3) e controle. Os NPs magnéticos Fe3O4
asseguraram uma distribuição eficaz do ferro na solução, que mantinha uma oferta sustentável de íons de ferro no biorreator [32].
Este processo bioestimulou a digestão anaeróbica que resultou no aumento da produção de biogás e metano. Um trabalho com a aplicação partículas de ferro, confirmaram que zero valência de fragmento do ferro (ZVSI) poderia ser usado como uma fonte de doadores de elétrons para a digestão anaeróbica de resíduos de lodo ativado. A maior produção de metano de 174,9 ± 1,5 mL / g VSS foi obtida com ZVSI 1,0 g / g VSS até o final da operação mesofílica, aumentando em 38,3% em relação à livre de ZVSI. O uso de ZVSI poderia estimular o metabolismo e o crescimento da microbiota envolvida no processo anaeróbico, servindo como doadores de elétrons diretos ou indiretos (H2/[H]), bem como proporcionando uma baixa
melhorada, acidogênese, taxa de metanogênese e produção final de metano. A capacidade potencial de oferecer elétrons abrirá muitas novas portas para nosso melhor entendimento e aplicação do ZVSI na digestão anaeróbica do lodo e no manejo sustentável [32]. A transferência eletrônica direta de interespécies (DIET) a qual mencionamos neste trabalho é um metabolismo sintrófico no qual os elétrons livres fluem de uma célula para outra sem a necessidade de transporte molecular de menor tamanho, como hidrogênio molecular ou formato. À medida que mais e mais microrganismos mostram uma capacidade de troca de elétrons, seja para exportá-los ou importá-exportá-los, torna-se óbvio que a DIET é um metabolismo sintrófico muito presente na natureza em diversos metabolismo, especificamente em relação à digestão anaeróbica, o que ocorre é que na porção de lodo granulado ou um aglomerado de bactérias e microrganismos, é um micro ecossistema onde o convívio dos membros é totalmente sinérgico, onde bactérias e archeas crescem muito próximos, no entanto para sua nutrição utilizam metabólitos diferentes muitas das vezes, e estes metabólitos são excretados por microrganismos presentes neste micro ecossistema. As bactérias exoeletrogênicas que degradam substratos orgânicos ou intermediários precisam de um dissipador de elétrons e os metanogênicos eletrotróficos se beneficiam e ajudam estes outros organismos ao assimilar esses elétrons e produzir metano [22].
A produção de hidrogênio bem fermentada resultou da dissolução de NZVI e causou um processo hidrogenotrófico controlado por bactérias, por outro lado, as resoluções do NZVI como uma liberação lenta de hidrogênio, permitiu a hidrogenogênese miogênica e o aumento da produção de metano [31].
Figura 2: Diagrama da transferência direta de elétrons interespécies (DIET), mediante material
A transferência eletrônica direta interespécies (DIET) é definida como sendo um mecanismo metabólico microbiano onde ocorre a troca de elétrons durante o metabolismo sintrófico entre as espécies envolvidas na decomposição de determinado material. Até o presente momento, a DIET foi observada em algumas culturas de bactérias que fazem parte de um mesmo consórcio biológico que atuam principalmente sob condições de anaerobióse, entre estas as co-culturas de Geobacter metallireducens com Geobacter sulfurreducens, também as co-culturas metanogênicas definidas de G. metallireducens com espécies Methanosaeata ou Methanosarcina [48], como demonstrado na figura 2 [49].
Nestas culturas de células, o ponto de eletrocondutividade tem sido evidenciado em um ponto externo adjacente da parede celular destes microorganismos sendo o ponto onde ocorre a troca de elétrons. Materiais condutivos como a magnetita, podem promover a DIET em co-culturas definidas. Definido intrinsicamente entre as células dos organismos sintróficos, ocorre a junção destes aos materiais condutivos como a magnetita, facilitando a transferência de elétrons interespécies. Uma das principais possibilidades a ser considerada é que os materiais condutivos ajudam os microorganismos na conservação de energia durante as suas inúmeras atividades biológicas extracelulares, onde o consumo de energia é alto, e estas ocorrem durante todo seu ciclo de vida [48].
De fato, podemos concluir até o presente momento que está emergindo um novo conceito envolvendo AD (digestão anaeróbia) e nanopartículas de óxido de ferro: liberação gradual de íons ferro em função do tamanho, DIET (transferência eletrônica de elétrons interespécies), superfície química e estado coloidal das nanopartículas para estímulo da biodegradação microbiana de matéria orgânica e consequente aumento da produção de biogás e biometano [26], [18], [22].
2 OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da adição de nanopartículas de óxido de ferro em biodigestores anaeróbios de vinhaça, visando o aumento da geração de biogás (bioenergia).
Objetivos específicos:
• Sintetizar nanopartículas de óxido de ferro (escala laboratorial – 2 L e piloto – 40 L). • Realizar uma caracterização físico-química integrada das nanopartículas e suas dispersões
coloidais.
• Avaliar o efeito da adição das nanopartículas de óxido de ferro em biodigestores de vinhaça e monitoramento da produção de biogás/atividade metanogênica específica (AME).
• Quantificar o teor de ferro total no lodo microbiológico e vinhaça após experimentos de biodigestão na presença e ausência de nanopartículas de óxido de ferro.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Materiais
A vinhaça bruta foi coletada na Usina Açucareira Ester no município de Cosmópolis/SP e caracterizada em seus macros, micronutrientes e suas propriedades físico-químicas de relevância (pH, condutividade elétrica, sólidos totais, ácidos graxos voláteis, carga orgânica) no Departamento de Ciência de Solos da ESALQ-USP em Piracicaba/SP. As coletas de vinhaça se deram dentro da safra de cana de açúcar corrente de 2017/2018, foram coletados cerca de 1000 litros a cada 2 meses, este cronograma levou em consideração o sistema produtivo do processo de etanol da usina, que juntamente com a vinhaça libera uma série de microrganismos entre estes à própria levedura Saccharomyces cerevisiae, secularmente utilizada no processo de transformação dos açucares contidos no caldo de cana de açúcar para a base do etanol e nucleotídeos específicos isolados apresentam maior produção conforme [34] esta levedura que fora do processo fermentativo industrial, estando na vinhaça mantém suas características fermentativas, diminuindo lentamente parte da carga orgânica, macro e micronutrientes presentes na vinhaça, e extremamente passíveis de conversão ao biometano através da biodigestão durante a realização dos ensaios, portanto, a renovação da vinhaça teve um papel fundamental neste trabalho. A vinhaça coletada (Figura 3) foi armazenada em tanques de 1000 L em temperatura ambiente na área externa da Central de Resíduos do CNPEM. Logo após a coleta a vinhaça foi armazenada em bombonas de 50 L, e deixadas sob baixa temperatura (3° C) na câmara fria do LNNano (Figura 4). O lodo biológico foi reproduzido em laboratório a partir de esterco bovino e coleta e armazenamento de vinhaça.
O inóculo semente (inicial) foi obtido de resíduos fecais in natura de origem bovina, optou-se em reproduzir a partir do esterco bovino as cepas como fungos, bactérias, protozoários e Archaea que estão presentes no rúmen bovino, parte do estomago multicavitário dos ruminantes, considerando-se a dificuldade de se conciliar um lodo ativado de estação de tratamento de efluentes doméstico, onde os microrganismos presentes no lodo estão adaptados a cargas orgânicas cerca de cem vezes menor que a encontrada na vinhaça ao tratamento deste novo resíduo (vinhaça), além desta justificativa, também foi tomada como principal diretriz a produção de um lodo ativado em laboratório (representativo em escala) de origem fecal animal, observando-se principalmente que este jamais tenha sido utilizado em tratamentos biológicos de resíduos por sistemas convencionais domésticos, ou industriais, criando assim nesta etapa
do trabalho um desafio ainda maior devido a adaptação total dos microrganismos ao resíduo a ser tratado, neste caso a vinhaça.
Figura 3: (A) Coleta de vinhaça em lagoa de distribuição por canais da usina Ester. (B) Tanque e
armazenamento da vinhaça da usina Ester. (C) Tanque de armazenamento de vinhaça de 1000 L para carregamento e (D) Veículo designado para transporte da vinhaça.
Figura 4: (A) Armazenamento da vinhaça in natura em tanques de 50 L. (B) Coleta de vinhaça para
análise em laboratório. (C) Frasco Shott de 2 L para armazenamento e montagem dos experimentos de biodigestão e (D) Câmara fria para armazenamento de vinhaça a 3°C.
Figura 5: (A) armazenamento de lodo ativo microbiológico em tanques de 50 L. (B) lodo peneirado
para retirada de dejetos e sólidos. (c) armazenamento do lodo em frasco de vidro tipo Shota de 2L para uso no LNNano/CNPEM.
3.2 Montagem dos biodigestores de vinhaça
Os biodigestores ou biorreatores de vinhaça são tecnologias clássicas empregadas com o objetivo de promover a decomposição da matéria orgânica por microrganismos anaeróbios e a produção de bioenergia na forma de biogás. Os processos bioquímicos da biodigestão ocorrem sem a presença de oxigênio livre, no qual diversas populações de bactérias convertem a matéria orgânica numa mistura de metano, dióxido de carbono e pequenas quantidades de hidrogênio, nitrogênio e ácido sulfídrico [35].
Neste estudo, com o intuito de otimizar e corresponder as diretrizes operacionais de um processo de biodigestão anaeróbia de matéria orgânica com metodologia já disseminada na literatura, [36], porém com ampla discussão sobre validação científica, optou-se por desenvolver um aparato singular para a aferição da atividade metanogênica específica (AME). Foi elaborado e executado um projeto simples e consistente que representava os moldes clássicos necessários para determinação de volumes de CH4 (metano) aferidos durante a
biodigestão da vinhaça in loco. O aparato consiste em vidros tipo Shot de 2 litros cada, banho térmico com circuito PLC (Lógica programável computadorizada) para manter a temperatura do meio estável em 37 °C, mangueiras de silicone para transferência de fluidos (gás e NaOH), suportes e hastes para equalização hidrodinâmica e provetas milimetradas de 2 L para aferição do volume final de metano produzido nos biodigestores.
O aparato desenvolvido no Laboratório de Processos do LNNano para a análise da AME, mostrado na (Figura 6), é em sua maior configuração autômato, ou seja, o processo é
gerenciado pelo próprio equipamento, sendo apenas necessário um operador / observador, sem treinamentos específicos, para a cada 24 horas aferir o volume de metano produzido, apenas registrando o volume de coluna de NaOH contida na proveta, já que o biodigestor ao produzir o biogás transfere este fluido gasoso para a garrafa contendo soda (NaOH), que ao entrar em contato com o biogás, retém o dióxido de carbono (CO2) no meio aquoso, deixando o metano
livre no “headspace” (do inglês espaço livre) da garrafa de soda, que por sua vez hidrodinamicamente “empurra” o volume correspondente de soda para o seguinte estágio onde foi medido seu total dentro da proveta milimétrica.
Figura 6: (A) Aparato para avaliação da produção de biogás pela atividade metanogênica específica
(AME) durante a biodigestão anaeróbia de vinhaça instalado no Laboratório de Processos do LNNano/CNPEM. (B) Banho maria para manutenção da temperatura a 37 °C, e (C) Provetas para armazenamento e transferência de liquido na quantificação da produção de biogás.
Com este aparato, exclusivamente desenhado para a parte experimental deste trabalho de pesquisa envolvendo a biodigestão de vinhaça verificou-se estabilidade, e reprodutibilidade
das propriedades físicas dos meios interno e externo em cada um dos biodigestores de vinhaça, como temperatura, hidrodinâmica e cinética, preponderantes para a biodigestão anaeróbia de matéria orgânica. Desta forma, foi possível montar triplicatas independentes para melhor desempenho do sistema e aquisição dos dados referentes aos ensaios de biodigestão. No total, foram instalados 06 biodigestores de vinhaça (nomeados de 1 a 6) no Laboratório de Processos do LNNano/CNPEM.
3.3 Produção de nanopartículas de óxido de ferro
Neste trabalho foi utilizado o método clássico de co-precipitação para a síntese das NPs de Fe3O4 [37]. A rota escolhida possui vantagens devido a robustez e reprodutibilidade na
síntese das nanopartículas, com tamanho relativamente pequenas e com elevada cristalinidade. Todos os reagentes químicos aqui utilizados não sofreram nenhum tratamento ou purificação prévia.
3.3.1 Síntese das NPs-Fe3O4 com NaOH
A rota de síntese utilizando o NH4OH como agente co-precipitante e percussores
clorados serviu como base para a obtenção das NPs de Fe3O4. No entanto, os íons cloretos e
amônio no meio poderiam se mostrar tóxicos para os microrganismos presentes no biorreator. Pensando nisso, o NaOH e os sais precursores de ferro a bases sulfatos foram adotados para a produção da magnetita. Além disto, estes materiais apresentem custos mais baixos para produção em larga escala das nanopartículas.
A metodologia foi a mesma adotada anteriormente. A síntese foi realizada primeiramente no reator de 2 L utilizando a seguinte metodologia. No frasco do reator de 2 L foram adicionados 22 g Fe(SO4)3.6H2O e 20,8 g de FeSO4.7H2O, sempre mantendo a razão
molar de Fe3+/Fe2+ na proporção de 2:1, em seguida foi adicionado ao balão 2,0 L de H2O
destilada. Neste reator não foi utilizado gás inerte no sistema, e a quantidade de NaOH (5M) adicionado foi o suficiente para o pH do meio ser próximo de 14. O Processo de purificação foi utilizado o imã de neodímio e lavagem com água destilada até pH constante próximo de 8.
Além disso, esse sistema foi escalonado para 40 L, onde as quantidades dos precursores foram ajustadas bem como a quantidade de base necessária para adicionar ao sistema. A síntese ocorreu toda em sistema aberto e foi utilizado um agitador mecânico num reator fabricado pelo Laboratório de Processos do LNNano com capacidade total para 50 L (Figura 7). Foi utilizada
água de poço artesiano e a pureza dos sais usado foram de grau técnico. Todo este procedimento foi pensado com intuito de gerar NPs de Fe3O4 com o menor custo possível.
Após as etapas de síntese e lavagens sucessivas com água destilada, as nanopartículas foram armazenadas em fracos tipo Shot em aproximadamente 1 L de volume total. Para quantificação do rendimento de cada síntese (mg/L), 10 mL de cada dispersão-estoque foram coletados utilizando micropipetador automático de alta precisão (Eppendorf) e submetidos a secagem em estufa à 100 ºC por 24 horas. Em seguida, foi avaliado a massa total (rendimento) utilizando balança analítica (Shimadzu AD-6).
Figura 7: Produção das nanopartículas de óxido de ferro utilizando reatores de 2 L – escala laboratorial
(A, B) e reatores 40 L – escala piloto (C, D) instalados no Laboratório de Processos do LNNano/CNPEM.
3.4 Caracterização físico-química das nanopartículas
As nanopartículas sintetizadas foram caracterizadas quanto as suas propriedades morfológicas, magnéticas, composição química e de superfície através das seguintes técnicas integradas: i) microscopia eletrônica de transmissão (TEM); ii) espectroscopia UV-Vis; iii) espectroscopia de infravermelho (FT-IR); iv) difratometria de raios-X (DRX); v) análise de carga superficial (potencial-zeta); vi) espalhamento de luz dinâmico (DLS); vii) sedimentação por centrífuga de disco (DCS); e viii) magnetometria (SQUID).
3.5 Preparação de dispersões e formulados contendo as nanopartículas de óxido de ferro para aplicação em biodigestores de vinhaça
Após a síntese das nanopartículas, foram realizados experimentos para avaliação da capacidade de dispersão e estabilidade coloidal em água deionizada (Mili-Q), água reconstituída (EPA) e vinhaça. As nanopartículas foram coletadas diretamente da dispersão-estoque e utilizando a técnica de espectroscopia UV-Vis (absorbância em 500 nm) e DCS (sedimentação centrífuga a disco) (CPS Instruments) foi possível monitorar estabilidade coloidal das nanopartículas nestes meios, bem como o tamanho médio das partículas.
3.6 Efeito das nanopartículas de óxido de ferro em biodigestores de vinhaça - Monitoramento da produção de biogás através da AME
As formulações de NPs foram aplicadas em biodigestores de vinhaça (2 L) utilizando ensaios clássicos para a produção de biogás através da avaliação da atividade metanogênica específica (AME), conforme aparato de biodigestão instalado no Laboratório de Processo do LNNano. Basicamente, as formulações de NPs, em diferentes concentrações (de 0 até 1000 ppm), foram inoculadas no aparato de biodigestão à 37,5 °C ± 2,0. Foi mantido durante os experimentos a seguinte ordem de preparação: 800 mL (lodo) + 50-100 mL (NPs em água destilada) + 1000 mL (vinhaça). Desse modo, o volume final de todos os experimentos nos biodigestores foi de 1850 mL. Nos biodigestores controle foi utilizado apenas: 800 mL (lodo) + 50-100 mL (água destilada) + 1000 mL (vinhaça). Em seguida, foi realizado uma agitação manual para homogeneizar do sistema e ajustado o pH para ~7.0 (NaOH concentrado), lacrado o sistema e dado início ao processo de biodigestão da vinhaça. A AME foi monitorada por
diferentes intervalos de tempos (1 até 35 dias), sendo realizado medidas diárias do processo de produção de biogás.
Também foi avaliado o efeito da adição dos sais de cloreto de ferro II (FeCl2) e cloreto
de ferro III (FeCl3) na produção de biogás. Neste caso, os sais nas concentrações de 60, 120 e
240 ppm foram dissolvidos em 50 mL de água destilada, e adicionados aos biodigestores de vinhaça e monitorado a produção do biogás, do mesmo modo como descrito para as nanopartículas.
3.7 Quantificação do Teor de ferro no lodo e vinhaça após experimentos de biodigestão e incubação das nanopartículas na vinhaça
O teor de ferro total no lodo e vinhaça foram determinados através da técnica de espectrometria de emissão óptica por plasma (ICP-OES). Basicamente, o lodo foi coletado ao final dos experimentos de biodigestão e encaminhados para caracterização no Departamento de Solos da ESALQ/USP em Piracicaba-SP.
Experimentos de cinética de liberação dos íons Fe (após incubação das nanopartículas na vinhaça) foi realizado através da quantificação deste metal através de ICP-OES (análise realizada pela empresa Tasca Ltda, cerificada ISO 9001). Basicamente, as nanopartículas foram incubadas na concentração de 270 ppm em 1000 mL de vinhaça (triplicatas), e após diferentes intervalos de tempo de incubação (6h até 14 dias) as nanopartículas foram removidas da vinhaça utilizando um ímã neodímio de alta capacidade de campo (Figura 8) e a vinhaça foi coletada e enviada para análise do teor de íons Fe por ICP-OES. Desse modo, foi possível monitorar a taxa de liberação/lixiviação dos íons Fe na vinhaça após incubação com as nanopartículas na concentração de 270 ppm.
Figura 8: Procedimento para remoção e lavagem das nanopartículas de óxido de ferro da vinhaça
utilizando ímã neodímio.
3.8 Caracterização Química da Interação das Nanopartículas com Lodo/Vinhaça
Foi realizado dois protocolos para iniciar o estudo da caracterização química da interação das NPs-Fe3O4-NaOH-40L com vinhaça e lodo microbiológico. Protocolo A – 270
ppm de nanopartículas foi incubada com 1000 mL de vinhaça por 1 hora em temperatura ambiente. Protocolo B - 270 ppm de partículas foram incubadas no lodo (800 mL) e em seguida foi adicionado 1000 mL de vinhaça; realizado a homogeneização manual do sistema e deixado em repouso por 1 hora em temperatura ambiente.
Em ambos os protocolos, as nanopartículas foram retiradas do meio com auxílio de ímã neodímio e foram lavadas por 4 vezes com água destilada até que a água de lavagem ficasse totalmente incolor (Figura 8). As amostras NPs@vinhaça (Protocolo A) e NPs@lodo/vinhaça (Protocolo B) representam as nanopartículas recobertas com uma capa orgânica da vinhaça ou capa orgânica do lodo e vinhaça, e foram caracterizadas pelas técnicas de espectroscopia de infravermelho (FT-IR), análise termogravimétrica (TGA) e análise de carga superficial (potencial-zeta).
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Produção e caracterização físico-química das nanopartículas de óxido de ferro
A Figura 9 apresenta as imagens de TEM e os respectivos histogramas para as nanopartículas de óxido de ferro sintetizadas utilizando o hidróxido de sódio como agente precipitante (NPs-Fe3O4-NaOH). Como mencionado anteriormente, a cinética de nucleação e
crescimento de partículas é um fator determinante em parâmetros como tamanho e morfologia.
Figura 9: Imagens de TEM e os respectivos histogramas de distribuição de tamanho das NPs de Fe3O4
sintetizados com NaOH. Síntese em diferentes volumes de reação e os respectivos histograma de distribuição de tamanho, (A, B) síntese no reator de 2,0 L e (C, D) síntese no reator de 40,0 L.
Para as sínteses escalonadas nos reatores de 2,0 L e 40,0 L as imagens de TEM mostraram tamanhos de partículas médios de 11,5 e 17,7 nm respectivamente, além de uma
distribuição de tamanho mais alargada, o que corrobora com o mecanismo de nucleação e crescimento mais lento para a formação do óxido de ferro.
Outro detalhe interessante é a formação de uma camada fina em torno das NPs de Fe3O4
quando utilizado o NaOH na síntese. Tal camada pode ser a formação de outras espécies de óxido de ferro na superfície da NPs, como o FeOOH que pode ser formado devido ao fato de o sistema de síntese ser aberto, ou seja, na presença de oxigênio da atmosfera e não em atmosfera inerte.
O caráter cristalino das NPs-Fe3O4-NaOH-2L podem ser observados na figura 10, onde
a imagem de TEM em alta resolução mostra os planos cristalinos do óxido de ferro o caráter policristalino das NPs. A difração de elétrons corrobora com as imagens de alta resolução, mostrando halos de difração, onde cada halo corresponde a uma família de planos cristalinos. A formação dos halos aqui observados está relacionada com as inúmeras NPs cristalinas em condição de Bragg difratando em direções aleatórias.
Através da indexação da imagem de difração de elétrons podemos observar um padrão que corrobora com o padrão da fase do espinélio inverso da magnetita. Esta observação é reforçada através dos dados de difração de Raios-X (DRX) das NPs de Fe3O4 sintetizadas com
NaOH nos reatores de 2,0 L e 40,0 L (Figura 11).
Figura 10: (A) Imagem de TEM em alta resolução e (B) difração de elétrons em área selecionada
