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DIESEL & BIODIESEL: Maior

suscetibilidade á Biodegradação

Prof. Dr. Fátima Menezes Bento UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

INSTITUTO DE CIÊNCIAS BÁSICAS DA SAÚDE

DEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIA,IMUNOLOGIA E PARASITOLOGIA

São Paulo, 29 de julho de 2011.

ESTRUTURA

Diesel brasileiro (BX)

Armazenamento:Contaminação química e biológica

Causas: fatores que propiciam a contaminação

Consequências: presença de lodo biológico

Impactos da adição de biodiesel:

Biodegradabilidade

Resultados internacionais e nacionais

Prevenção:

Medidas Físicas Medidas Químicas

DIESEL & BIODIESEL: Maior suscetibilidade á

Biodegradação

Mistura complexa de hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos

Importante combustível da matriz energética

Histórico: B2 (2008); B5 (2010)

tem recebido atenção com relação ás condições de estocagem (possibilidade de deterioração)

um contaminante importante (vazamento ou acidentes)

Óleo Diesel BRASILEIRO (BX)

Introdução

Mistura complexa de hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos + complexa mistura de ésteres (origem vegetal e animal)

Importante combustível da matriz energética

Histórico: B2 (2008); B5 (2010)

tem recebido atenção com relação ás condições de estocagem (possibilidade de deterioração)

um contaminante importante (vazamento ou acidentes)

Óleo Diesel BRASILEIRO (BX)

Introdução

Armazenamento de Óleo Diesel

(áereos ou subterrâneos)

Formação de sedimentos: (problema crônico)

Origem química

Origem biológica

Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Petroleum

Identificação de um tanque com contaminação microbiana

*LODO biológico: interface óleo-água

CAUSAS

Como ocorre essa contaminação?

Condições para que ocorra a formação de

sedimento biológico:

Presença de água Nutrientes

Oxigênio, temperatura e pH

População microbiana competente

Condições para que ocorra a formação de

sedimento biológico:

Presença de água Nutrientes

Oxigênio, temperatura e pH

População microbiana competente

+ Biodiesel ( mistura de ésteres- fonte de carbono mais

facilmente assimilável)

1. Presença de água: Condensada = Livre

Condensação nas

paredes do tanque

Sistemas de vedação com algum

defeito

Presença de água durante a estocagem de diesel:

Possibilidades:

• • • • •

• • • • •

• • • • •

A: Água dissolvida: água que está em solução no combustível e não pode ser

removida por métodos convencionais ou detectada por meio de equipamentos

C: Água livre: água não dissolvida no combustível, que pode estar suspensa, na

forma de gotas ou turvação, ou formando fase aquosa na parte inferior do tanque.

A

B

C

( Norma ABNT NBR 15512)

Presença de água durante a estocagem de diesel:

Possibilidades:

• • • • •

• • • • •

• • • • •

A: Dispersa como microgotícula dispersa no combustível – GOTÍCULA

B: Emulsão na interface óleo-água - EMULSIONADA

C: Água do lastro- LIVRE

A

B

C

Presença de água durante a estocagem BX:

Possibilidades: (+ Biodiesel)= ?

• • • • • • •

• • • • • • •

• • • • • • •

A: Dispersa como microgotícula dispersa no combustível – GOTÍCULA

B: Emulsão na interface óleo-água - EMULSIONADA

C: Água do lastro- LIVRE

A

B

C

2. Nutrientes

AR: poeira, microrganismos, grande quantidade de umidade

ÁGUA: condensação, limpeza dos tanques, presença de

detritos e microrganismos

COMBUSTÍVEL: transporte de contaminantes

2. Nutrientes e população microbiana

AR: poeira, microrganismos, grande quantidade de umidade

ÁGUA: condensação, limpeza dos tanques, presença de

detritos e microrganismos

COMBUSTÍVEL: transporte de contaminantes

COMBUSTÍVEL: estocagem simulada durante 450 dias

( Bento & Gaylarde, 2001)

3. Oxigênio, temperatura, pH

Interior de tanque

Temperatura –

a partir de 4°C até 60ºC

pH –

de pH 3,5 á pH 6,5

Oxigênio:

Proporção

fase oleosa-fase aquosa

4. População microbiana:

Grupos Microbianos

Fungos: filamentosos e leveduriformes

Bactérias: aeróbias e anaeróbias

4. População microbiana: Borra Biológica

Isolamento de microrganismos:

Normas ASTM D 6974-09; Normas ASTM E 1326; IPI 385

Fungos filamentosos isolados a partir da fase oleosa

Fungos filamentosos isolados a partir da fase oleosa

Bactérias e leveduras isoladas a partir da fase aquosa

Bactérias Redutoras de Sulfato (BRS):

Produção de H2S

(dentro das reservas e nos tanques)

Redução da qualidade do óleo (souring)

Problemas de corrosão

Exigências: sulfato e carbono; ausência de O2

Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Petroleum

Fonte: Gaylarde et al., 1995

IMPACTOS

Quais são as consequências da

contaminação microbiana durante a

estocagem?

PROBLEMAS

DETECTADOS

PRINCIPAIS TIPOS DE

MICRORGANISMOS Bloqueio de mangueiras, válvulas,e filtros

(Biomassa)

Fungos; bactérias produtoras de polímeros

Aumento do conteúdo de água Todos

Formação de sedimento Todos

Produção de biossurfactante Fungos e bactéria aeróbias

Corrosão de tanques e tubulações Fungos e bactérias anaeróbias

Produção de sólidos suspensos Todos

Degradação dos hidrocarbonetos Fungos e bactérias aeróbias

Bloqueio de injetores Fungos e bactérias aeróbias

Aumento do conteúdo de enxofre Bactérias redutoras de sulfato (BRS)

Comprometimento do sistema de injeção Todos

Produção de biossurfactantes

Fonte: Morales, 2008

(Morales & Bento, 2008)

Fonte: Seminário INP-2011- RJ

Obstrução: Desgaste de bicos injetores

(Bento et al,1999)

Microrganismos

isolados de

combustíveis

(óleo diesel, gasolina,

querosene)

Fonte: Gaylarde & Bento, 1999

Biodegradabilidade: Diesel x Biodiesel

Biodiesel – ésteres alquílicos de ácidos graxos de cadeias longas

(C14- C22)

Diesel de petróleo - hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos

(C10H20 a C15H28, com 75% saturados e 25% aromáticos).

Vantagens:

Renovável, Compatível com diesel (misturas BX) e biodegradável;; Sem N, S ou

aromático

Desvantagens:

Alto custo de produção; elevado poder de solvência; baixa estabilidade (muitas

insaturações – fácil degradação

Estruturas químicas de alguns

compostos encontrados no

petróleo

(Connell & Miller, 1994)

Composição

do

Diesel

Degradação microbiana de alcanos.

1-n-alcanos monoxigenases.

2- álcool desidrogenase.

3- aldeído desidrogenase

(Fritsche & Hofrichter, 2000)

Degradação microbiana de aromáticos:

dioxigenases

Produção de

Biodiesel

Óleos vegetais

Gordura animal

Algas, bactérias e fungos

Composição do biodiesel: Matéria -prima

Produção de Biodiesel

(Li et al., 2008)

Especificação do biodiesel

(Lôbo et al., 2009)

Dependendo da época do ano: SOJA:SEBO

95:5 75:25 70:30

Hidrólise de um éster catalisado por lipases ou esterases (Santos, 2009)

Estrutura molecular ( tamanho e o número de insaturações) dos ésteres alquílicos

(biodiesel): SUBSTRATO.

(Bento & Gaylarde, 1996; Bento et al., 2005)

0 10 20 30 40 50 60

0

10

20

30

40

50

60

70

Peso

(m

g)

Tempo (dias)

Curva de crescimento do Aspergillus fumigatus em meio em meio mineral e 1% de óleo

diesel durante 60 dias. pH: inicial 7,0 pH final: 4,8

Biomassa produzida durante crescimento em óleo diesel/ meio mineral em 60 dias

Cromatograma da fase aquosa proveniente do crescimento do Aspergillus fumigatus

após 60 dias e incubação em meio em meio mineral e 1%

de óleo diesel.

Cromatograma da fase oleosa proveniente do crescimento do Aspergillus fumigatus após 60 dias de

incubação em meio em meio mineral e 1% de óleo diesel.

48%

37,5%

51%

Comportamento de Misturas Diesel-Biodiesel

Adição de biodiesel

ao diesel

Aumento da biodegradabilidade

de hidrocarbonetos

Disponibilidade de fonte extra

de carbono

Ação complementar metabólica

Comportamento de Misturas Diesel-Biodiesel

PERSPECTIVA INTERNACIONAL

IASH 2005- Passman (2005): Mistura de ésteres mais suscetível ao crescimento

microbiano do que o óleo diesel convencional.

Cenário ambiental: biodegradabilidade

é uma vantagem !!!!

PASSMAN, F.; DOBRANICK JK. Relative Biodegradability of B-100 Biodiesel and

Conventional Low Sulfur Diesel Fuels. In: IASH 2005: 9 th International Conference on

Stability, Handling and Use of Liquid Fuels,. Proceedings; p.18-22; 2005.

Comportamento de Misturas Diesel-Biodiesel

PERSPECTIVA INTERNACIONAL

IASH 2005- Passman (2005): Mistura de ésteres mais suscetível ao crescimento

microbiano do que o óleo diesel convencional.

Cenário ambiental: biodegradabilidade

é uma vantagem !!!!

porém durante a estocagem é um

PROBLEMA.....

PASSMAN, F.; DOBRANICK JK. Relative Biodegradability of B-100 Biodiesel and

Conventional Low Sulfur Diesel Fuels. In: IASH 2005: 9 th International Conference on

Stability, Handling and Use of Liquid Fuels,. Proceedings; p.18-22; 2005.

Comportamento de Misturas Diesel-Biodiesel

Zhang et al.(1998) (USA): biodegradação das

misturas de diesel-biodiesel é proporcional ao

conteúdo de biodiesel (ambiente aquático)

Pasqualino et al.(2006): maior o percentual de

biodiesel na mistura maior a eficiência na

biodegradação.

De Mello et al.,(2007): (USA) estudos simulando ambiente marinho com misturas de

diesel e biodiesel mostraram que a degradação dos ésteres ocorreram na mesma taxa que

os alcanos e mais rapidamente que outros hidrocarbonetos do diesel.

Prince et al., (2008) (USA) experimentos de biodegradação utilizando um consórcio

microbiano foi capaz de degradar tanto o diesel quanto o biodiesel em meio aquoso.

Sugeriram que a

presença de biodiesel

promove a ação

complementar

metabólica microbiana

na degradação dos

hidrocarbonetos

Comportamento de Misturas Diesel-Biodiesel

Owsianiak et al.(2009): Polônia: experimentos de biodegradação com consórcio em

diferentes misturas de diesel-biodiesel. Perfil observado : relação linear entre o conteúdo

de biodiesel e a produção de biomassa .

Schleicher et al.(2009): Alemanha: experimentos de biodegradação de biodiesel puro

(colza) e mistura (B5 e B20). Melhor resultado de degradação : B20 ; população

microbiana variou dependendo da composição do combustível.

Siegert (2009) Alemanha: Microbial contamination in diesel fuel- Are new problems

arising from biodiesel blends? Os estéres de ácidos graxos (FAME) produzem uma

ambiente no diesel mineral que promove o crescimento microbiano, devido a

competência natural em degradar óleos e graxas como energia. Um biocida é sugerido

para a utilização nas misturas diesel-biodiesel.

Hill & Hill., 2009. (Inglaterra) Strategies for resolving Problems Caused by Microbial

Growth in terminals and retaisl Sites Handling Biodiesel

Aumento no uso dos FAME no diesel automotivo tem sido associado com o

aumento nos problemas causados pela contaminação microbiana.

Revisão sobre os problemas encontrados em veículos a diesel, fatores

específicos envolvidos no crescimento microbiano em biodiesel. Apresentação de

estratégias quanto a prevenção, monitoramento e remediação do problema.

Horel & Schiewer 2011 (USA) Influence of constant and fluctuating temperatures on

biodegradation rates of biodiesel blends contaminanting Alaskan sand

Experimentos de biorremediação, com a simulação de areia contaminada

com diferentes misturas e temperaturas (6-20°C) mostraram que a adição de

biodiesel acelerou a mineralização em comparação com o diesel, além do esperado.

B20: a taxa de degradação (CG-MS) foi 2X mais alta que o diesel.

Adição de biodiesel poderia ajudar a reduzir o impacto de derrames de

diesel no ambiente.

PERSPECTIVA NACIONAL:

REDE BRASILEIRA DE TECNOLOGIA DE BIODIESEL:

Estudos sobre vida de prateleira de Bx e B100; aditivos multifuncionais, degradação abiótica e biótica: REDE ARMAZBIODI (MCT/FINEP)- UFRJ; UFG, UFRGS, INT

Bento, F. M. et al. 2006 Suscetibilidade do Óleo Diesel com 2 e 5% de biodiesel á contaminação

microbiana durante a estocagem.

Vieira et al., 2008 Seleção de microrganismos degradadores de biodiesel- indicadores redox

Mariano et al 2008; 2009 Degradabilidade de diesel e mistura com biodiesel

França, F. et al 2011: Degradação de biodiesel por Pseudomonas aeuruginosa e Pichia

Bucker et al., 2011 Impact of Biodiesel on Biodeterioration of Stored Brazilian Diesel Oil.

Comportamento de Misturas Diesel-Biodiesel

Crescimento de fungos e bactérias que foram isolados de

tanques de óleo diesel e borra de centrifuga de B100

Misturas avaliadas: Bucker, et al 2011 - IMPACT OF THE ADDITION OF BIODIESEL IN BRAZILIAN DIESEL OIL

ON THE GROWTH OF FUNGI DURING STORAGE, International Biodeterioration and Biodegradation

B0 (diesel) B5 B10 B20 B100

Biodiesel de sebo (bovino): B100 Cazzaroli et al., 2011 SUSCETIBILIDADE DO BIODIESEL DE

SEBO BOVINO A CONTAMINAÇÃO POR Pseudallescheria boydii , Quimica Nova (in press)

Frascos de 150mL com óleo diesel (B0) e as misturas com biodiesel (B5, B10,

B20 e B100) e meio mineral, conforme o esquema abaixo:

Interface – suspensão de 107esporos/mL de

Aspergillus fumigatus/ Paecilomyces spp.

Fase Oleosa (25mL) – Sistemas esterilizados com 0, 5,

10, 20 e 100% de biodiesel de soja no diesel.

Fase Aquosa (25mL) – Meio Mínimo Mineral 1:1.

MM1 g/L: KCl, 0,7; KH2PO4, 2,0; Na2HPO4, 3,0; NH4NO3, 1,0; Solução micronutriente 1m/L

(MgSO4, 4,0; FeSO4, 0,2; MnCl2, 0,2; CaCl2, 0,2) (Richard & Vogel, 1999)

Frascos experimentais

(150mL)

Ensaios de crescimento com Fungos

Tempo de avaliação:

0 , 7, 14, 21, 28, 45 e 60 dias.

Curva de crescimento do fungo Aspergillus fumigatus em meio mineral com B0 (diesel), e as

misturas B5, B10, B20,B100 (diesel e biodiesel) durante 60 dias.

(Bucker et al., 2011)

B100

B0

B20

B5 e B20

Curva de crescimento do fungo Paecilomyces sp. em meio mineral com B0 (diesel), e as

misturas B5, B10, B20,B100 (diesel e biodiesel) durante 60 dias.

(Bucker et al., 2011)

Curva de crescimento do fungo Pseudallescheria boydii em meio mineral e biodiesel de sebo durante

60 dias, a 28°C. (♦) KOH- Água, (■)KOH-Magnesol, (▲)NaOH -Magnesol, (♦) NaOH- Água.

Cazarolli et al., 2011 SUSCETIBILIDADE DO BIODIESEL DE SEBO BOVINO A CONTAMINAÇÃO POR

Pseudallescheria boydii , Quimica Nova (in press)

Crescimento do fungo Pseudallescheria boydii em meio mineral e biodiesel de sebo

PREVENÇÃO

Quais são as medidas possíveis de controle

da contaminação microbiana durante a

estocagem?

Medidas de Controle

Métodos Físicos: Tanques:

Drenagem periódica ( Norma ABNT NBR 15512)

Limpeza de tanques

Combustível Métodos de Filtragem

REFINO TRANSPORTE ARMAZENAMENTO

Tanques áereos ou

subterrâneos

DRENAGEM (ROTINA NA MANUTENÇÃO):

* impede o acúmulo

de água

forma estratégica

de controle

Métodos Químicos:

Utilização de biocidas: recomendado nos

Estados Unidos e Europa (diesel e biodiesel)

Preservantes:

Abordagem preventiva: tratamento

contínuo

Abordagem curativa: tratamento choque

Biocida ideal

Matar todos os microrganismos (fungos, bactérias)

Não apresentar efeitos sobre outros organismos

Não afetar o material protegido e não afetar o ambiente

Não causar alergias, irritações ou qualquer outras doenças aos humanos

Ser eficiente sob diferentes condições

Barato e estável

Biodegradável

Biocida ideal

Matar todos os microrganismos (fungos, bactérias)

Não apresentar efeitos sobre outros organismos

Não afetar o material protegido e não afetar o ambiente

Não causar alergias, irritações ou qualquer outras doenças aos humanos

Ser eficiente sob diferentes condições

Barato e estável

ADITIVO MULTIFUNCIONAL

Considerações Finais

Está sendo considerado dentro do cenário brasileiro, a participação microbiana como um dos contaminantes potenciais da cadeia.

Incentivo às Boas Práticas de Manutenção durante a estocagem.

Muito obrigada!

Equipe:

Biorremediação

Vanessa Cerqueira,Daniel Meyer,

Fabiola Shultz, Gerônimo Prado,

Tatiana Colla, Leticia Tramontini, Luisa Mercado, Angelo Prates.

Biodeterioração

Francielle Bucker, Adriane Zimmer

Juciana Cazarolli, Fernanda Marques,

Aline Oliboni, Angelica Santos, Cristiane

Barbosa, Paula da Silva, Nayara Aguiar,

Sabrina Anderson.

Agradecimentos

DIESEL & BIODIESEL: Maior

suscetibilidade á Biodegradação

Por :

Prof. Dr. Fátima Menezes Bento fatima.bento@ufrgs.br

São Paulo, 29 de julho de 2011.

Biocidas aprovados

pelo EPA para uso em

combustíveis

Fonte: Passman, 2003. Fuel and Fuel system

microbiology, fundamentals, diagnosis and

contamination control. Pg:30