Tópicos em biocorrosão e biofouling

Ricardo José Lavitschka

Biocorrosão e Biofouling

Estimativa Britânica (anos 70’) – perdas anuais de 0,84% do PIB.

- Custos pulverizados em paradas para substituição de peças corroídas, limpeza, manutenção, substituição de elementos filtrantes, remoção de depósitos biológicos, problemas de vedação, etc.

O que são?

• Biocorrosão: “processo eletroquímico de dissolução metálica iniciado ou acelerado por microrganismos”

• Biofouling: “acumulo indesejável de depósitos biológicos sobre uma superfície”

Em geral o biofouling resulta no acúmulo de biofilmes. Um biofilme é constituído por células imobilizadas em um substrato – em geral uma matriz de material polimérico extracelular.

Problemas comuns em:

• Indústrias em geral• Extração, envio, processamento e

armazenagem de petróleo e derivados• Aviação (ex. tanques de combustíveis)• Navios (ex. cascos e motores)• Distribuição de energia elétrica• Outros

Biofouling

Biofouling

Biofouling

Biocorrosão...princípios..

Ambos processos baseiam-se na diferença de concentração de oxigênio nas duas regiões (anódica menos aerada e catódica mais aerada), que facilita a formação de uma célula de aeração diferencial.Em geral, os microrganismos induzem e mantém um gradiente de concentração elevado pela respiração, acelerando a reação de corrosão.

Microrganismos e a corrosão

• Grande velocidade de reprodução(progressão geométrica)

• Alta relação superfície / volume(volume médio de bactérias = 1µm³)1cm³ = quantos cubos de 1µm³ ?Qual a relação de superfície em relação à 1cm³? • Alta atividade e flexibilidade metabólica de troca com o meio

• Distribuição uniforme no ambienteSempre há algum. O ambiente apenas “seleciona aquele que pode se reproduzir”.

Relembrando...• Microrganismos que participam do ciclo do

enxofre têm grande relevância nos processos corrosivos

• Fermentação – a oxidação ocorre sem receptores externos de elétrons

• Respiração – o oxigênio molecular atua como receptor de elétrons

• Respiração anaeróbica – participa um receptor de elétrons diferente do oxigênio (ex.: nitratos, sulfatos)

O processo aeróbico

bacteriano (respiração) é basicamente

similar

Antes de mais nada, vamos nos deter no exemplo do processo metabólico das mitocôndrias....”uma organela presente em nossas células que teve origem em uma bactéria”.....

As mitocôndrias geram energia a partir de nutrientes

• Sem mitocôndrias animais, fungos e plantas seriam incapazes de utilizar oxigênio – seria um veneno.

• Produzem ATP (adenosina trifosfato) a partir de ADP (adenosina difosfato)

• Contém seu próprio DNA e maquinaria celular

Mitocôndria vista sob microscopia

Vantagem evolutiva na aquisição das mitocôndrias

• Via anaeróbica1 molécula de glicose = 2 ATP

• Via aeróbica1 molécula de glicose = cerca de 30 ATP’s(fosforilação oxidativa)

• Provavelmente viabilizou o surgimento de organismos eucariotos pluricelulares

Origem das mitocôndrias:

• Autoreplicantes (tal como bactérias):adaptam-se as necessidades celulares

• Combustíveis:piruvato (glicose e outros açucares) acidos graxos (gorduras)

• Combustíveis convertidos em acetil CoA na matriz mitocôndrial

ciclo do acido cítrico

Similarmente à maioria das bactérias aeróbicas, possui inseridas as proteínas

responsáveis pela cadeia respiratório e um complexo enzimático chamado

ATPsintetase, que produz o ATP, além de proteínas transportadoras específicas, que regulam a passagem para dentro e fora da

matriz.

Organização:

Membrana Interna:

Matriz:

A matriz mitocôndrial contêm DNA mitocondrial, ribossomos mitocondriais essenciais, RNAt, e várias enzimas requeridas para expressão dos genes mitocondriais. Além de centenas de enzimas

Organização:

O fluxo de prótons pela ATPsintase produz ATP

Exemplos de microrganismos

relacionados à corrosão• Bactérias oxidantes de enxofre, gênero

Thiobacillus:

Reação básica: S- + 202 + 2H2O = 2H2SO4

• Bacilos curtos, com 0,5μm X 1,0 a 3,0μm.

• Possui flagelo, temperatura de crescimento varia de 10 até 55°C.

• Thiobacillus denitrificans: capaz de usar nitratos (NO3 ao invés de O2) como receptores de elétrons. Capaz de oxidar 31g de enxofre por g de carbono, (produção metabólica de ácido sulfúrico), podendo causar acidez no meio.

Reação básica: 2NO3- + S + H2O + CaCO3 = CaSO4 + N2

Agressão acentuada à superfícies metálicas, além de estruturas de

pedra e concreto

Tubulação de gás com corrosão causada por

Thiobacillus ferrooxidans

•  Estritamente aeróbico, cresce em faixa de pH 1.5 a 5. Pode oxidar Fe2+.

“Na natureza seu habitat são águas

ácidas naturais com alto teor de ferro, sendo sua

literatura relacionada a processos de

biolixiviação de minerais”

“Bactérias do Ferro”• Poucas são as águas que não

contêm ferro, embora em leves traços. Todavia, mesmo em

regiões ferruginosas, as águas naturais contêm, geralmente,

menos de 5 mg/l de ferro. Excepcionalmente as águas

subterrâneas podem apresentar teores de 40 a 50 mg/l.  

          Estes metais ocorrem, nas formas mais comuns, como

bicarbonato ferroso - Fe(HCO3)2 e bicarbonato manganoso Mn(HCO3)2 , notadamente em águas subterrâneas,

devido à presença de dióxido de carbono e ácido carbônico, que

aumentam a solubilidade de certos minerais.

Na maioria dos casos, estas células bacterianas

crescem formando “tubos”, semelhantes à

uma espécie de envelope, contendo óxidos de ferro e

manganês, fato que confere durante seu

crescimento uma cor que vai do laranja ao marrom

ou ainda preto.

Bactérias do ferro O ferro e o manganês favorecem o

desenvolvimento de algas diatomáceas e

de certas bactérias (Crenotrix polysfora, Leptothrix achrácea,

Spyrophylum ferrugineum, Gallionella ferruginea) e outras.

Em decorrência do metabolismo

bacteriano, as águas assim aciduladas,

atacam as tubulações e equipamentos, com

formação de bicarbonato ferroso ou manganoso, assimilado depois pelas próprias

bactérias.

Podem ainda, imprimir à água, cor avermelhada ou negra características, conforme a proporção

de ferro ou manganês, bem como afetar as qualidades organolépticas.

Biocorrosão do alumínio e suas ligas e de combustíveis por contaminantes

microbianos• Diversos microrganismos são capazes de metabolizar hidrocarbonetos

parafínicos com cadeias lineares de átomos de carbono entre C10 e C18 (fração querosene)

• São bactérias e fungos que crescem dentro de gotículas de água em suspensão, na interfase água / combustível.

A presença do fungo Horcomonis resinae, frequentemente isolado a partir de combustível de aeronaves ou barcos, resulta em:

• Entupimento frequente de tubulações• Entupimento de filtros• Mal funcionamento de instrumentos• Corrosão localizada nos tanques, especialmente no fundo, paredes e

nervuras de reforço, onde o micélio fúngico adere, criando zonas de acidificação.

Placa de petri onde se evidenciam as inúmeras

colônias escuras de Horcomonis resinae , que é um agente microbiano

comum no diesel de embarcações

Amostra de diesel de embarcações

contaminado com fungo

• A corrosão do alumínio não se deve a um único mecanismo metabólico, mas a um sinergismo entre vários.

Ex.: produção metabólica de ácidos graxos, com conseqüente aumento da acidez, + consumo microbiano de inibidores de corrosão (nitratos e fosfatos) + processos de aderência microbiana, que aumentam o ataque ao metal base + aumento das características oxidantes do meio, etc.

Obrigado !

Para saber mais:

VIDELA, H. A. .Biocorrosão, Biofouling e biodeterioração de materiais. 1ª ed. Ed. Edgard Blücher. 2003. 148p.