Definição de Resíduo Industrial: Aplicação de Cianobactérias/Microalgas no Tratamento de Resíduos Industriais. Biotecnologia/ Biotecnologia Ambiental

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Alfredo Aquino Fonseca
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1 Pontifícia Universidade Católica de Campinas PUCCAMP INTRODUÇÃO Definição de Resíduo Industrial: Aplicação de Cianobactérias/Microalgas no Tratamento de Resíduos Industriais Eduardo Jacob Lopes 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. Campinas, 2005 Métodos de Tratamento de Resíduos Biotecnologia/ Biotecnologia Ambiental Físicos Químicos Biológicos 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 Aplicação Engenharia Bioquímica no tratamento de resíduos Reatores Bioquímicos (Biorreatores) Biotecnologia Ambiental Valorização dos resíduos Microrganismos Interesse Ambiental Tecnologias associem tratamento de resíduos com o aproveitamento de nutrientes; Transformação matérias primas de interesse Resíduo = Nutriente Bactérias Fungos/Leveduras Algas Cianobactérias Microalgas 1

2 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 CO 2 Respiratório utilização de substratos orgânicos como fonte de carbono Fixação Nitrogênio captação do N 2 atmosférico Aplicação de cianobactérias no tratamento de resíduos Gêneros utilizados Remoção de nitrogênio, matéria orgânica, fósforo, nutrientes inorgânicos (CO 2 ), metais pesados; Spirulina Oscilatória Aproveitamento biomassa (fonte nutrientes); Valoração resíduos. Chlorella Aphanothece Dunaliella Scenedesmus Biomassa gerada (Proteínas Unicelulares) Valor Nutricional Single Cell-Protein Quantitativo (superior fontes tradicionais) Instituto Tecnológico de Massachusetts (1966) referindo-se a biomassa microbiana utilizada como alimento ou aditivo. Qualitativo (aminoácidos essenciais, acidos graxos ω3 ω6, clorofila, β-caroteno); Inclui: fungos, leveduras, bactérias,cianobactérias Possibilidade de manipulação da composição através de variáveis ambientais. 2

cianobactérias no tratamento de resíduos Gêneros utilizados Remoção de nitrogênio, matéria orgânica, fósforo, nutrientes inorgânicos (CO 2 ), metais pesados; Spirulina Oscilatória Aproveitamento

3 Perfil Bioquímico Aplicação 1: Proteínas: % Carboidratos: 20 % Lipídeos: 10 % Cinzas: 20 % Vitaminas: traços Pigmentos: traços Aminoácidos essenciais X FAO Ácidos graxos essenciais: ( ω3 e ω6) Remoção de metais pesados a partir cianobactérias visando o tratamento de efluentes Substâncias Funcionais: (clorofila, β-caroteno) Metais Pesados Remoção metais pesados Cu, Cd, Zn, Pb, Cr, Ni e Co Ampla aplicação industrial: manufatura do aço papel couro fertilizantes indústria petroquímica. Processos tradicionais (físico-químicos) precipitação química tecnologia de membranas osmose reversa extração por solventes Dificuldades Operacionais Uso de cianobactérias na remoção de metais pesados Custo elevado Remoção incompleta metais seletividade geração de outros resíduos de elevada toxidade alternativa frente aos métodos convencionais elevada afinidade com metais polivalentes afinidade 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 celular e bioacumulação intracelular 3

Ampla aplicação industrial: manufatura do aço papel couro fertilizantes indústria petroquímica.

4 Aplicação 2 Efeitos provocados pelas emissões de CO 2 Emissão de dióxido de carbono Seqüestro de CO 2 em fotobiorreatores por cianobactérias Efeito Estufa 20 bilhões de toneladas/ano de CO 2 Ultimo século: 0,6ºC na temperatura atmosférica elevação do volume dos oceanos em 10 cm Redução emissões CO 2 : Processos Biotecnológicos redução CO 2 Técnicas físico-químicas: membranas peneiras moleculares tecnologias de adsorção injeção geológica e oceânica Técnicas biológicas: reflorestamento biotecnologia incorporação Biomassa Cianobactérias metabolismo fotossintético CO 2 + Luz Presença de pigmentos clorofila a carotenóides ficobilinas Composição bioquímica: 40% carbono 1,5 Kg de CO 2 para a produção de 1 Kg de biomassa Crescimento em atmosferas entre 3 a 60% de CO 2 Absorção luz: nm (clorofila) 620 nm a 560 nm (ficocianina e ficoeritrina) Capacidade da assimilação CO 2 desenvolvimento de reatores 4

moleculares tecnologias de adsorção injeção geológica e oceânica Técnicas biológicas: reflorestamento biotecnologia incorporação Biomassa Cianobactérias metabolismo fotossintético CO 2 + Luz Presença

5 Fotobioreatores Aplicação 3: Sistemas utilizam fotobioreatores processos naturais (conversão CO 2 em produtos como O 2, H 2, carboidratos e proteínas) Reatores cultivo microalgas luz, dióxido de carbono e nutrientes dissolvidos Aplicação de cianobactérias no tratamento de efluentes agroindustriais Configurações: geometria tubular, cônica e esférica Efluentes gerados pela agro-indústria Características Industria de carnes Lacticínios Processamento de arroz e soja Industria da pesca Elevadas concentrações de DQO, N-NTK Razões C/N e N/P adequadas desenvolvimento microrganismos Presença de fósforo, vitaminas, sais minerais Processamento frutas Processamento cana açúcar Tratamento Biológico de Efluentes Mecanismo de Tratamento Processo: N-NT; N-NH 3 ; N-NO -2 ; N-NO -3 ; DQO; AVT; P-PO -3 4 ; SO -2 4 ; SST Incorporação a biomassa (metabolismo microbiano) Geração fonte energia Tratamento resíduos Reator piloto instalado em uma industria de processamento arroz - RS 5

Características Industria de carnes Lacticínios Processamento de arroz e soja Industria da pesca Elevadas concentrações de DQO, N-NTK Razões C/N e N/P adequadas desenvolvimento microrganismos

6 Condições operacionais Dados cinéticos do efluente parboilização arroz Reator biológico de mistura (coluna bolhas/air lift) Ausência de luminosidade Temperatura ºC ph: Razão C/N 20 Aeração constante ln X 6,6 6,4 6,2 6,0 5,8 5,6 5,4 5,2 5,0 4,8 4,6 4, Time (h) Curva de crescimento da cianobactéria Aphanothece (água maceração arroz) E-COD (%) 40 E-TKN (%) Time (h) Time (h) Eficiências remoção de DQO do efluente Eficiências remoção de NTK do efluente Dados cinéticas do processo: Conversão em biomassa (proteína unicelular) Parâmetro Δt (h) X (mgl -1 ) Xo (mgl -1 ) tg (h) μ max (h -1 ) Y X/S (mg cel.mgcod -1 ) Y X/S (mg cel.mgn-tkn -1 ) E-DQO (%) E-NTK (%) Valor ,17 11,40 83, Parâmetros NTK (mg.l -1 ) L H 2 O / Kg arroz Nº de tanques de parboilização Capacidade por tanque (kg) Q efluente (m 3.h -1 ) Q efluente (m 3 /ano) Produção nitrogênio/ano (ton) Fator de conversão (mg cel/mg N) Biomassa formada (ton/ano) Especificação 69, ,19 11,40 106,09 Proteína unicelular (ton/ano) 50,98 6

80 80 60 60 E-COD (%) 40 E-TKN (%) 40 20 20 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time (h) Time (h) Eficiências remoção de DQO do efluente Eficiências remoção de NTK

7 Aplicação 4: Toxidade de Efluentes Avaliação da toxidade de efluentes industriais através de biomarcadores Avaliação da toxidade de efluentes industriais é comumente realizada através de respostas não específicas como índices físicoquímicos DQO DBO NTK P-PO 4-3 O controle poluentes Marcadores Biológicos Parâmetros globais: Eficiências remoção Aplicação de organismos vivos na avaliação da toxidade; Medir efeito tóxico causado em organismos teste; Efeitos biológicos destes compostos distúrbios ecossistemas aquáticos através perda da diversidade biológica aumento na bioacumulação de toxinas na cadeia alimentar Utilização em paralelo ao controle físico-químico; Obrigatório em determinados países antes do despejo corpo receptor; Organismos Bactérias bioluminescentes Bactérias bioluminescentes Micro-crustáceos 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; Cianobactérias/ microalgas Avaliações são categorizadas em sistemas baseados na resposta fisiológica de bactérias luminescentes em relação a toxidade química, emissão ou redução de luminescência. 7

toxidade; Medir efeito tóxico causado em organismos teste; Efeitos biológicos destes compostos distúrbios ecossistemas aquáticos através perda da diversidade biológica aumento na bioacumulação de

8 Vibrio fischeri (foto-bactéria) Condições de Prova Exposição ao efluente Condições constantes (tempo, salinidade, temperatura, ph) Avaliação: fluorimetria Luminescência( efluente) % bioluminescência = Luminescência( controle) Daphia magna (micro-crustáceo) Condições de Prova Exposição ao efluente; método estático, sem reposição da contaminantes; Condições fixas (temperatura, luminosidade, fotoperíodo); Alimentação com microalgas/cianobactérias (níveis tróficos); Avaliação: sobrevivência dos organismos. Cianobactérias/ Microalgas Condições de Prova Exposição ao efluente; Condições fixas (agitação, temperatura, luminosidade, fotoperíodo); Avaliação: cinética crescimento Aphanothece microscopica Nageli (230X) t μdt = t X X dx X ln2 tg = μ o o máx 8

(temperatura, luminosidade, fotoperíodo); Alimentação com microalgas/cianobactérias (níveis tróficos); Avaliação: sobrevivência dos organismos.

9 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 tel: +55 (19) jacoblopes@feq.unicamp.br 9

de Engenharia Química Laboratório de Engenharia Bioquímica Campinas, SP,

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