Pontifícia Universidade Católica de Campinas – PUCCAMP
Aplicação de Cianobactérias/Microalgas no
Tratamento de Resíduos Industriais
Eduardo Jacob Lopes
Campinas, 2005
INTRODUÇÃO
Definição de Resíduo Industrial:
O resíduo industrial pode ser considerado como uma perda de materiais que não foram aproveitados no processo, por não fazerem parte do produto final, ou processos que não consigam aproveitar estes compostos completamente.
Métodos de Tratamento de Resíduos
Físicos
Químicos
Biológicos
¾Aplicação Engenharia Bioquímica no tratamento de resíduos ¾Reatores Bioquímicos (Biorreatores)
¾Biotecnologia Ambiental
Biotecnologia/ Biotecnologia Ambiental
Aplicação da bioquímica, da biologia, da microbiologia e da engenharia química aos processos e produtos industriais (incluindo os produtos relativos a saúde, energia e agricultura) e ao meio ambiente.
Union Internationale de Chimie Pure et Appliqueé
Valorização dos resíduos
Tecnologias associem tratamento de resíduos com o aproveitamento de nutrientes;
Transformação matérias primas de interesse
Resíduo = Nutriente
Microrganismos Interesse Ambiental
Bactérias
Fungos/Leveduras
Algas
Cianobactérias
Cianobactérias/microalgas
Procariontes/eucariontes
Gram-negativos
Fotossintetizantes
Metabolismos auxiliares
Fontes natural de moléculas bioativas
Metabolismo Cianobactérias
Necessidades nutricionais mais simples todos seres vivos
Fotossintético
assimilação CO2
Respiratório
utilização de substratos orgânicos como fonte de carbono
Fixação Nitrogênio
captação do N2 atmosférico
Aplicação de cianobactérias no tratamento de resíduos Remoção de nitrogênio, matéria orgânica, fósforo, nutrientes inorgânicos (CO2), metais pesados;
Aproveitamento biomassa (fonte nutrientes);
Valoração resíduos.
Gêneros utilizados
Spirulina Chlorella Dunaliella Oscilatória Aphanothece Scenedesmus
Biomassa gerada (Proteínas Unicelulares)
Single Cell-Protein
¾Instituto Tecnológico de Massachusetts (1966) referindo-se a biomassa microbiana utilizada como alimento ou aditivo.
¾Inclui: fungos, leveduras, bactérias,cianobactérias
Valor Nutricional
Quantitativo (superior fontes tradicionais)
Qualitativo (aminoácidos essenciais, acidos graxos ω3 ω6, clorofila, β-caroteno);
Possibilidade de manipulação da composição através de variáveis ambientais.
Perfil Bioquímico
Proteínas: 40 – 70 % Carboidratos: 20 % Lipídeos: 10 % Cinzas: 20 % Vitaminas: traços Pigmentos: traçosAminoácidos essenciais X FAO
Ácidos graxos essenciais: (ω3 e ω6)
Substâncias Funcionais: (clorofila, β-caroteno)
Aplicação 1:
Remoção de metais pesados a partir
cianobactérias visando o tratamento de efluentes
Metais Pesados
¾ Cu, Cd, Zn, Pb, Cr, Ni e Co ¾Ampla aplicação industrial:
• manufatura do aço • papel
•couro •fertilizantes
•indústria petroquímica.
Remoção metais pesados
Processos tradicionais
(físico-químicos) ¾precipitação química ¾tecnologia de membranas ¾osmose reversa
¾extração por solventes
Dificuldades Operacionais
¾Custo elevado
¾Remoção incompleta metais ¾seletividade
¾geração de outros resíduos de elevada toxidade
Uso de cianobactérias na remoção de metais pesados ¾alternativa frente aos métodos convencionais
¾elevada afinidade com metais polivalentes
¾afinidade é devida basicamente a necessidade da presença destes compostos em sítios ativos de enzimas essenciais, as quais os envolvem em rotas metabólicas e ainda devido a interações físico-químicos da membrana
Aplicação 2
Seqüestro de CO
2em fotobiorreatores por
cianobactérias
¾
Efeitos provocados pelas emissões de CO
2¾Emissão de dióxido de carbono
Efeito Estufa
20 bilhões de toneladas/ano de CO2
Ultimo século:
•0,6ºC na temperatura atmosférica •elevação do volume dos oceanos em 10 cm
¾Redução emissões CO
2:
•Técnicas físico-químicas: membranas peneiras moleculares tecnologias de adsorção injeção geológica e oceânica
• Técnicas biológicas: reflorestamento biotecnologia ¾
Processos Biotecnológicos
•redução CO2 • incorporação Biomassa ¾Cianobactérias
• metabolismo fotossintético • CO2+ Luz ¾Presença de pigmentos
• clorofila a • carotenóides • ficobilinas ¾Absorção luz:
• 665-680 nm (clorofila) • 620 nm a 560 nm (ficocianina e ficoeritrina)¾
Composição bioquímica: 40% carbono
• 1,5 Kg de CO2para a produção de 1 Kg de biomassa
¾Crescimento em atmosferas entre 3 a 60% de CO2
¾
Capacidade da assimilação CO
2¾
Fotobioreatores
¾ Sistemas utilizam fotobioreatores
• processos naturais (conversão CO2em produtos como O2, H2, carboidratos e proteínas)
¾ Reatores cultivo microalgas
• luz, dióxido de carbono e nutrientes dissolvidos
¾Configurações:
• geometria tubular, cônica e esférica
Aplicação 3:
Aplicação de cianobactérias no tratamento
de efluentes agroindustriais
Efluentes gerados pela agro-indústria
Industria de carnes
Lacticínios
Processamento de arroz e soja
Industria da pesca
Processamento frutas
Processamento cana açúcar
Características
Elevadas concentrações de DQO, N-NTK
Razões C/N e N/P adequadas desenvolvimento microrganismos
Presença de fósforo, vitaminas, sais minerais
Tratamento Biológico de Efluentes
N-NT; N-NH3; N-NO-2; N-NO-3; DQO; AVT; P-PO4-3; SO
4 -2; SST
Incorporação a biomassa (metabolismo microbiano)
Condições operacionais
Reator biológico de mistura (coluna bolhas/air lift) Ausência de luminosidade Temperatura 25 – 35 ºC pH: 7.0 – 10.0 Razão C/N 20 Aeração constante 0 3 6 9 12 15 28 21 24 Time (h) 4,4 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 6,2 6,4 6,6 ln X
Dados cinéticos do efluente parboilização arroz
Curva de crescimento da cianobactéria Aphanothece (água maceração arroz)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time (h) 0 20 40 60 80 100 E -CO D ( % )
Eficiências remoção de DQO do efluente
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time (h) 0 20 40 60 80 100 E-T K N ( % )
Eficiências remoção de NTK do efluente
72.74 E-NTK (%) 83,44 E-DQO (%) 11,40 YX/S(mg cel.mgN-TKN-1) 0,17 YX/S(mg cel.mgCOD-1) 0.11 μmax(h-1) 6.3 tg (h) 100 Xo (mgL-1) 520 X (mgL-1) 15 Δt (h) Valor Parâmetro
Dados cinéticas do processo:
Conversão em biomassa (proteína unicelular)
50,98 Proteína unicelular (ton/ano)
106,09 Biomassa formada (ton/ano)
11,40 Fator de conversão (mg cel/mg N)
7,19 Produção nitrogênio/ano (ton)
103.680 Q efluente (m3/ano)
18 Q efluente (m3.h-1)
250 Capacidade por tanque (kg)
14 Nº de tanques de parboilização 4 L H2O / Kg arroz 69,32 NTK (mg.L-1) Especificação Parâmetros
Aplicação 4:
Avaliação da toxidade de efluentes
industriais através de biomarcadores
Toxidade de Efluentes
Avaliação da toxidade de efluentes industriais é comumente realizada através de respostas não específicas como índices físico-químicos ¾ DQO ¾ DBO ¾ NTK ¾ P-PO4-3
O controle poluentes
Parâmetros globais: Eficiências remoção
Efeitos biológicos destes compostos
9 distúrbios ecossistemas aquáticos através 9 perda da diversidade biológica
9 aumento na bioacumulação de toxinas na cadeia alimentar
Marcadores Biológicos
Aplicação de organismos vivos na avaliação da toxidade; Medir efeito tóxico causado em organismos teste; Utilização em paralelo ao controle físico-químico;
Obrigatório em determinados países antes do despejo corpo receptor;
Organismos
Bactérias bioluminescentes Micro-crustáceos Cianobactérias/ microalgas Bactérias bioluminescentes
Produção de luminosidade nestes microrganismos é proporcional ao estado metabólico das células e a inibição da atividade celular é refletido em um decréscimo da bioluminescência;
Vibrio fischeri (foto-bactéria)
Condições de Prova
¾Exposição ao efluente
¾ Condições constantes (tempo, salinidade, temperatura, pH) ¾ Avaliação: fluorimetria 100 ) ( min ) ( min 1 min % = − × controle escência Lu efluente escência Lu escência biolu
Daphia magna (micro-crustáceo)
Condições de Prova
¾Exposição ao efluente;
¾ método estático, sem reposição da contaminantes; ¾ Condições fixas (temperatura, luminosidade, fotoperíodo); ¾ Alimentação com microalgas/cianobactérias (níveis tróficos); ¾ Avaliação: sobrevivência dos organismos.
Cianobactérias/ Microalgas
Aphanothece microscopica Nageli (230X)
Condições de Prova
¾Exposição ao efluente;
¾ Condições fixas (agitação, temperatura, luminosidade,
fotoperíodo);
¾ Avaliação: cinética crescimento
∫
t
μ
=
∫
t
X
X
X
dX
dt
o o máx2
ln
tg
μ
=
Avaliação nível genético
Eletroforese
Polymerase Chain Reaction (PCR)
Eduardo Jacob Lopes
Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP Faculdade de Engenharia Química
Laboratório de Engenharia Bioquímica Campinas, SP, Brasil
CEP 13083-862 tel: +55 (19) 3788 3896
