EFICÁCIA DE PIGS NA REMOÇÃO DE BIOFILMES FORMADOS SOBRE SUPERFÍCIES DE AÇO CARBONO AISI -1020

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1 EFICÁCIA DE PIGS NA REMOÇÃO DE BIOFILMES FORMADOS SOBRE SUPERFÍCIES DE AÇO CARBONO AISI Eduardo da Silva Torres UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO, ESCOLA DE QUÍMICA, DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA BIOQUÍMICA, Francisca Pessôa de França UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO, ESCOLA DE QUÍMICA, DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA BIOQUÍMICA, 6 COTEQ Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos 22 CONBRASCORR Congresso Brasileiro de Corrosão Salvador Bahia 19 a 21de agosto de 2002 As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade dos autores

2 SINOPSE A eficiência de remoção de biofilmes formados sobre superfícies de aço carbono AISI-1020, após um período de 8 dias de exposição, foi investigada pela passagem de pigs de espuma. Além disso, também foi verificada a perda de peso apresentada pelos corpos de prova após cada processo de limpeza com aplicação dos pigs (processo de pigging) através da taxa de corrosão (mm/a). Os resultados revelaram uma redução na população microbiana presente nos biofilmes até o terceiro processo de pigging, verificando-se, após a passagem de três pigs, uma redução máxima de 55, 55, 75, 100 e 100% para bactérias aeróbias, oxidantes do ferro, anaeróbias, redutoras de sulfato e fungos, respectivamente. Palavras-chave : pigs, biofilme, aço carbono

3 1. INTRODUÇÃO Na indústria do petróleo, seja nos dutos trifásicos ou em poços de injeção, geralmente, ocorre deposição de compostos orgânicos e/ou inorgânicos nas paredes internas dos mesmos, que varia de acordo com o produto deslocado e as condições operacionais. Estes depósitos facilitam a formação de uma camada condicionante criando zonas ricas em nutrientes e, conseqüente, atração dos microrganismos, que se depositam formando estruturas denominadas biofilmes (1-3). Estas estruturas estão distribuídas aleatoriamente através da matriz exopolissacarídica a qual favorece a adesão celular à superfície metálica, constituindo-se em um ambiente propício ao desenvolvimento microbiano (3). A presença de microrganismos em uma superfície metálica causa modificações localizadas na interface metal-solução quanto ao ph, concentração de íons, teor de oxigênio, velocidade de fluxo etc. (4, 5). Além disso, sua atividade metabólica pode causar a formação de produtos que influenciam o processo de corrosão (5-7). Além da corrosão microbiologicamente induzida, a qual causa danos às indústrias químicas, petroquímicas, navais, entre outras, a formaçã o de biofilmes também acarreta problemas como a perda de eficiência de equipamentos, redução da capacidade de troca térmica e contaminação de águas (8-10). A presença de água em tubulações pode propiciar a formação de biofilmes, causando, consequentemente, desde a redução na velocidade de escoamento dos fluidos; decorrente do processo de incrustação nas paredes dos dutos, até a perda de produtos através de vazamentos gerados pela corrosão, impactando o meio ambiente. A remoção das camadas de biofilme pode ocorrer por diferentes processos, dentre os quais pode -se citar a utilização deste material microbiano como fonte de alimento por predadores, abrasão, erosão, desprendimento ou intervenção humana (11). Neste último caso, destaca -se o uso de pigs em duto metálico de forma a limpar a parede do mesmo, garantindo sua integridade estrutural frente a deterioração causada por processos de corrosão, estando sua eficiência relacionada às propriedades mecânicas do equipamento utilizado. A limpeza interna de tubulações constitui parâmetro fundamental no desempenho do transporte através de dutos. Assim, torna -se indispensável adotar a operação de passagem de pig de limpeza como método preventivo para se aumentar e vida e a eficiência de uma linha, fazendo-se necessário um acompanhamento periódico desde o início das operações. O objetivo deste trabalho foi verificar o desempenho de pigs de limpeza frente à remoção de biofilmes formados sobre superfícies de aço carbono AISI-1020, assim como acompanhar a perda de peso apresentada pelos cupons de aço carbono AISI ao longo do processo. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Os experimentos foram realizados em laboratório com auxílio de um sistema de looping constituído de material plástico (PVC), contendo um tanque com capacidade

4 de 30 L o qual era preenchido com água do mar in natura coletada na Baía da Guanabara. A circulação do fluido era garantida pela utilização de bombas hidráulicas e sua vazão mantida pelo controle de válvulas instaladas ao longo do sistema, cujo valor era acompanhado através de um rotâmetro. Nesse caso, todos os experimentos foram conduzidos com uma vazão de 3,6 m 3 /h. Os corpos de provas cilíndricos de aço carbono AISI -1020, utilizados nos experimentos, apresentavam as seguintes dimensões: diâmetro interno de 3,7 cm e altura de 1,0 cm. Estes cupons sofriam um tratamento prévio com álcool isopropílico, para retirada de gorduras, jateamento de areia e banho com acetona. Assim, estes eram mantidos em dessecador e pesados para posterior introdução no sistema de looping. O valor da massa era importante para determinação da perda de peso (12). Os ensaios foram realizados em sistema dinâmico sob temperatura ambiente, onde, inicialmente, os cupons metálicos foram expostos ao meio durante oito dias a fim de permitir o desenvolvimento dos biofilmes (13). Assim, iniciava-se o processo de pigging, limpeza das superfícies metálicas mediante a passagem de pigs de espuma. Os pigs constituíam-se de estruturas cilíndricas de espuma D-20 com 4,5 cm de diâmetro. A passagem dessas espumas foi garantida pela própria pressão e fluxo do fluido dentro do sistema de looping. A quantificação dos microrganismos presentes no biofilme formado foi feita a partir de suspensões microbianas de cada cupom, preparadas segundo metodologia descrita por de França (14). As bactérias aeróbias, oxidantes do ferro, anaeróbias e redutoras de sulfato foram quantificadas pela técnica do número mais provável (15), usando caldo nutriente (Merck, Darmstadt, Germany), agar citrato férrico amoniacal (APHA 1992), meio fluido ao tioglicolato (Difco no 0256, Difco Laboratories, Detroit, MI, USA) e meio Postgate B12, respectivamente. A determinação da população de fungos foi realizada pela contagem do número de unidades formadoras de colônias, usando agar Sabouraud (Merck) como meio de cultivo. As taxas de corrosão foram determinadas a partir de dados de diferença de peso observada nos cupons metálicos antes após a exposição ao sistema de looping. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 1 mostra a variação da população microbiana constituinte dos biofilmes aderidos aos cupons metálicos de aço carbono AISI durante o processo de pigging. Os resultados obtidos revelaram uma redução progressiva da quantidade de

5 microrganismos presentes nos biofilmes em função do número de tratamentos realizados pela passagem dos pigs. No caso das bactérias aeróbias, a redução média apresentada por este grupo microbiano foi de 35, 53 e 55% após a passagem do primeiro, segundo e terceiro pigs, respectivamente. Outros microrganismos aeróbios, como as bactérias oxidantes do ferro também atingiram uma redução máxima de 55% após o tratamento com os três pigs, enquanto que os fungos filamentosos foram totalmente arrastados, ou seja, atingiram uma redução de 100% após o tratamento com o primeiro pig. No caso dos microrganismos anaeróbios, a diminuição deste grupo microbiano foi causada não apenas pela sua remoção física resultante da passagem dos pigs, como também pela redução da capacidade do biofilme de criar zonas de anaerobiose em seu interior, condição necessária para o metabolismo de espécies anaeróbias estritas. Estas áreas de anaerobiose no interior dos biofilmes são estabelecidas pela atividade de microrganismos aeróbios, os quais realizam seu metabolismo utilizando o oxigênio presente no meio. Assim, dentre os grupos microbianos mais expressivos presentes nos biofilmes, pode -se verificar uma redução mais acentuada dos microrganismos anaeróbios. No caso das bactérias anaeróbias, foram verificadas reduções de 43, 46 e 75% após a passagem do primeiro, segundo e terceiro pigs, respectivamente. Como a análise deste grupo microbiano permite o desenvolvimento de espécies anaeróbias estritas e facultativas, o percentual remanescente nos biofilmes pode ser associado ao desenvolvimento de microrganismos facultativos. Verificando-se o perfil de remoção das bactérias redutoras do sulfato, observou-se que após o primeiro, segundo e terceiro tratamentos com pigs houve reduções de 30, 38 e 100%, respectivamente. Nesse caso, em função desses microrganismos serem estritamente anaeróbios, a remoção total desse grupo microbiano corrobora o fato da redução da população aeróbia minimizar a capacidade de criação de anaerobiose no interior dos biofilmes, impossibilitando o metabolismo de espécies anaeróbias (13). Na investigação da capacidade de restabelecimento dos biofilmes após o processo de pigging (Figura 2), os resultados revelaram que nos cupons tratados com os pigs, a população microbiana presente nos biofilmes após 7 dias de exposição apresentaram quantidades ligeiramente inferiores àquelas observadas nos cupons controle, ou seja, livres da ação dos pigs e expostos pelo mesmo período de tempo. Os resultados relativos à taxa de corrosão apresentada pelas superfícies metálicas expostas ao sistema de água do mar e ao processo de pigging estão apresentados na Tabela 1. As deteriorações sofridas pelos cupons expostos por oito dias (controle, PIG 1, PIG 2 e PIG 3) foram semelhante, possivelmente por estarem expostos aos mesmos tratamentos e condições. No caso dos cupons expostos a um total de 15 dias (sem PIG e com PIG), verificou-se uma diferença nos valores da taxa de corrosão sofrida pelas superfícies metálicas. Observou-se que os cupons livres da ação dos pigs sofreram um processo de deterioração menor que àquele apresentado pelos

6 cupons tratados. Essa maior proteção dos cupons não tratados pode ser associada a um processo de passivação causado pela existência dos filmes sobre a superfície metálica. Esse filme, de natureza microbiana ou química, minimiza a ação corrosiva do oxigênio sobre o aço (13). 4. CONCLUSÕES A utilização de processos de pigging na remoção de biofilmes mostrou-se parcialmente eficiente. Portanto, é imprescindível a determinação de condições de aplicação do processo de pigging que possibilitem a redução da população microbiana, visando: (a) inviabilizar o desenvolvimento de espécies anaeróbias estritas, como as bactérias redutoras do sulfato que constituem o principal grupo microbiano envolvido no processo de corrosão microbiologicamente induzida; (b) manter a existência de um filme capaz de proteger a superfície metálica da ação corrosiva do meio. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Agência Nacional do Petróleo (PRH -ANP/MCT), ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), e à Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ) pelo apoio financeiro; e à PETROBRAS/CENPES/PDEP/TMEC pelo apoio técnico.

7 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) LEE W.; LEWANDOWSKI Z.; NIELSEN P. H. e HAMILTON W. A., Role of Sulfate-Reducing Bacteria in Corrosion of Mild Steel: a Review, Biofouling, (2) ALMEIDA M. A. N. e de FRANÇA F. P., Thermophilic and Mesophilic bacteria in Biofilms Associated with Corrosion in a Heat Exchanger, World Journal of Microbiology and Biotechnology, 15 (4) (3) COSTERTON J. W.; LEWANDOWSKI Z.; DEBEER D.; CALDWELL D.; KORBER D. e JAMES G., Biofilms, the Customized Microniche, Journal of Bacteriology, 176 (8) (4) VIDELA H. A., Biofilms and Corrosion Interactions on Stainless Steel in Seawater, International Biodeterioration & Biodegradation, (5) ISMAIL K. H. M.; JAYARAMAN A.; WOOD T. K. e EARTHMAN J. C., The Influence of Bacteria on the Passive Film Stability of 304 Stainless Steel, Electrochimica Acta, (6) MORTON L. H. G. e SURMAN S. B., Biofilms in Biodeterioration a Review, International Biodeterioration & Biodegradation, (7) LUTTERBACH M. T. S. e de FRANÇA F. P., Biofilm Formation in Water Cooling Systems, World Journal of Microbiology & Biotechnology, (8) GENTIL V., Corrosão, Livros Técnicos e Científicos Ed. 3 a ed. Rio de Janeiro, (9) SRINIVASAN R.; STEWART P. S.; GRIEBE T. e CHEN C., Biofilm Parametrs Influencing Biofilm Efficacy, Biotechnology and Bioengeneering, (10) LUTTERBACH M. T. S. e de FRANÇA F. P., Biofilm Formation Monitoring in an Industrial Open Water Cooling System, Revista de Microbiologia,

8 (11) BRYERS J. D., Biologically Active Surfaces: Processes Governing the Formation and Persistence of Biofilms, Biotechnol. Progress, (12) PONOSSION Z., Corrosão e Proteção Contra Corrosão em Equipamentos e Estruturas, v. II. 1 a ed. São Paulo: IPT (13) TORRES E. S. e de FRANÇA F P., Kinetics of Biofilm Formation as a Function of Dissolved Oxygen Concentration on AISI-1020 Carbon Steel Coupons, Corrosion Reviews, 20 (1-2) (14) de FRANÇA F. P. e LUTTERBACH M. T. S. Variation in Sessile Microflora During Biofilm Formation on AISI-304 Stainless Steel Coupons, Journal of Industrial Microbiology, (15) ZHENG D. et al. Influence of Laminar Flow Velocity and Nutrient Concentration on Attachment of Marine Bactrioplankton, Biofouling,

9 1,00E+08 (células ou ufc)/cm 2 1,00E+06 1,00E+04 1,00E+02 1,00E+00 Aeróbia Ferrobactéria Anaeróbia BRS Fungo Controle PIG 1 PIG 2 PIG 3 Figura 1: Variação na população microbiana séssil livre da ação dos pigs e, após a primeira, segunda e terceira passagens dos pigs após 8 dias de exposição dos cupons metálicos, sendo controle, PIG 1, PIG 2 e PIG 3, respectivamente. Os resultados são uma média de quatro experimentos. 1,00E+08 (células ou ufc)/cm 2 1,00E+06 1,00E+04 1,00E+02 1,00E+00 Aeróbia Ferrobactéria Anaeróbia Figura 2: População microbiana séssil após 15 dias de exposição dos cupons metálicos. Com PIG aplicação de tratamento com 3 pigs no oitavo dia de exposição; Sem PIG sem aplicação do tratamento. Os resultados são uma média de quatro experimentos. BRS Fungo Sem PIG Com PIG

10 Tabela 1: Valores de taxa de corrosão apresentada pelos cupons metálicos durante o tratamento com pigs. Taxa de corrosão (mm/ano) Controle 1,50 ± 0,14 PIG 1 1,42 ± 0,12 PIG 2 1,42 ± 0,12 PIG 3 1,40 ± 0,10 Sem PIG 1,22 ± 0,08 Com PIG 1,42 ± 0,12 Controle 8 dias de exposição sem a passagem de pigs; PIG 1 após a passagem do primeiro pig; PIG 2 após a passagem do segundo pig; PIG 3 após a passagem do terceiro pig; Sem PIG 15 dias de exposição sem tratamento com pigs; Com PIG 15 dias de exposição com tratamento com 3 pigs no oitavo dia.