PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE MATERIAIS

RELATÓRIO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA - PIBIC

CAROLINE DIAS GROSSI

CONTRIBUIÇÃO AO ESTUDO COMPARATIVO DA

BIOSSORÇÃO DE NIQUEL E COBALTO UTILIZANDO A BACTÉRIA R.ERYTHROPOLIS E CASCA DE BANANA

COM DIFERENTES TIPOS DE ATIVAÇÃO

PROFESSOR ORIENTADOR: MAURÍCIO LEONARDO TOREM

RIO DE JANEIRO – RJ 2017

RESUMO

Os avanços tecnológicos e as novas leis ambientais vigentes, que são mais

rigorosas, estimulam cada vez mais o surgimento de tecnologias limpas para o

tratamento de efluentes industriais. Nesse contexto, a busca por biorreagentes

se torna cada vez mais relevante, não só do ponto de vista ambiental, mas

também como forma de melhorias do ponto de vista econômico, diminuindo

custos de produção e manutenção de processos de tratamento. O uso de

biomassa no tratamento de fluentes tem se tornado bastante atrativo, pelo baixo

custo associado e boa capacidade de remoção. Sendo assim, o objetivo deste

projeto é avaliar a utilização do microrganismo R. erythropolis e de biomassa

produzida a partir da casca de banana prata como biossorvente de níquel e

cobalto em águas residuais de processos de mineração. A biomassa foi

preparada e posteriormente ativada de seis formas diferentes. Foram realizados

ensaios de biossorção, tanto para a biomassa quanto para o microrganismo,

variando pH, temperatura, concentração de metal e tempo de biossorção. Os

resultados encontrados foram satisfatórios, mostrando que tanto a bactéria

quanto a biomassa são capazes de realizar a captação de metais. Em relação a

biomassa, a remoção chegou a 70% no caso da ativação com NaOH 0,05M a

temperatura ambiente, enquanto que a bactéria teve, em seu melhor

desempenho, uma remoção de cerca de 30% de metal.

1 INTRODUÇÃO

As industrias, de modo geral, geram diversos resíduos ao transformar a

matéria prima em produto final, além de consumir energia, água e recursos

naturais. Assim, causam um impacto considerável ao meio ambiente, que vem

sendo cada vez mais controlado pelas normas ambientais da legislação vigente.

A Organização dos Estados Americanos, OEA, evidenciou que as

indústrias minero-metalúrgicas são as que mais contribuem para a contaminação

do meio ambiente (RUBIO, 1998). O Brasil possui muitas reservas naturais

exploráveis, assim como uma fonte abundante de recursos hídricos, portanto,

deve ficar atento ao quesito contaminação de águas, principalmente

subterrâneas.

Uma das estratégias no controle de poluição é a implementação, por parte

das empresas, de um sistema de gestão ambiental, utilizando como parâmetro

as normas internacionais da série ISO 14000 (NICOLELLA el al., 2004).

De maneira geral, os efluentes de indústrias extrativas contribuem

significativamente para o aumento da poluição por contaminação de metais

pesados, que em meio aquático, são altamente bioacumulativos e prejudiciais a

saúde dos organismos vivos dependentes daquele recurso: microrganismos,

peixes, vegetais e até mesmo o homem. (ARLI e CANLI, 2010).

Pineda (2005) e Jerry (1997) ilustraram, em seus trabalhos, algumas

técnicas de remoção desses metais dos efluentes, e dentre as mais utilizadas

estão a floculação/precipitação, troca iônica, adsorção e extração por solvente.

O método mais empregado pela indústria é o da precipitação química

seguido de etapas de sedimentação e filtração, porém, essa técnica se torna um

pouco inviável para o caso do tratamento de grandes volumes de efluente com

baixas concentrações de metal, devido à baixa eficiência operacional e aos

elevados custos associados (VOLESKY, 2001; COSTA, 1995).

Além da baixa eficiência, a precipitação química ainda pode deixar

resíduos contaminantes, que mesmo não sendo tão nocivos quanto os metais

pesados, podem modificar o ecossistema em que estão sendo despejados.

Sendo assim, a procura por biorreagentes para serem empregados nesse

processo se torna bastante relevante, e vem sendo estudada por diversos grupos

de pesquisa.

Neste trabalho foram estudadas as capacidades de adsorção de metais

da bactéria R. erythropolis e do farelo de casca de banana tipo prata.

Microrganismos em geral possuem afinidades por metais, que são

utilizados como cofatores, e essa afinidade contribuiu para o desenvolvimento

do processo de biossorção o (VOLESKY, 1990; VOLESKY, 2003, VEGLIO 1997;

WASE, 1997), muito estudado nos últimos anos pode seu desempenho

promissor e baixo custo associado.

A parede celular é a principal responsável pela biossorção, uma vez que

possui grupos funcionais que possuem grande afinidade por esses metais. O

processo de biossorção pode ser dado através de complexação, coordenação,

a adsorção física, formação de quelatos, troca iônica, precipitação inorgânica

e/ou combinação destes processos (ABDEL-GHANI, 2014; AHN,2009).

Além dos grupos funcionais, há também surfactantes biológicos,

produzidos pelo próprio microrganismo, que modificam o comportamento da

solubilização de substratos, catálise, e também interferem na aderência dos

metais, podendo acelerar o processo de biossorção (AHN, 2009; LI, 2011; JING,

2011; LIU, 2012).

O desempenho da biossorção depende diretamente do material

adsorvente, e diversos estudos evidenciam as cascas de frutas como eficientes

no processo. Cruz (2009), estudou a casca de banana, Montanher (2014), o

bagaço de laranjas, Pino (2005), a casca de coco verde, Barros (2014), cascas

de abacaxi e tangerina, e muitos outros. Cruz (2009), em seu estudo, constatou

que a casca de banana pode remover cobre, zinco, chumbo e cadmio com uma

eficiência de 98,7%. Outro estudo com a casca de banana foi o de Buske (2012),

que indicou uma boa remoção de ferro, alumínio, cromo e manganês de

efluentes industriais, com capacidades que variavam de 13mg/g até 21mg/g de

adsorvente.

A banana é largamente produzida no Brasil, se destacando em relação a

quantidade produzida, área colhida, e valores de produção (BORGES;SOUZA

2004), apresentando então um grande potencial de utilização como

biossorvente.

2 JUSTIFICATIVA

O volume de efluentes líquidos gerado pelas indústrias minero-

metalúrgicas é grande, e tem grande contribuição no impacto ambiental,

principalmente de recursos hídricos.

Os processos mais utilizados na indústria são processos de remoção

química, que além de baixa eficiência, possuem elevadas produção de

subprodutos e custos de instalação e manutenção.

O processo proposto utilizando bactérias e casca de banana possui

desempenho bom, como visto em estudos anteriores, e é melhor que os

processos químicos empregados porque não geram subprodutos tóxicos ao

meio ambiente, e seus custos de produção e manutenção são baixos,

comparados aos processos químicos.

3 OBJETIVOS

3.1 Objetivo Geral

O projeto tem como objetivo avaliar o uso da bactéria R. erythropolis e da

casca de banana como biossorvente de níquel e cobalto no tratamento de águas

residuais da indústria mineral.

3.2 Objetivos Específicos

Preparar a biomassa a partir da casca de banana;

Testar sua capacidade de adsorção in natura;

Comparar valores de adsorção da bactéria e da casca de banana;

Avaliar possibilidades de aumento de desempenho na biossorção através

de diferentes procedimentos de ativação;

Definir o melhor método de ativação para biossorção.

4 METODOLOGIA

4.1 Preparo das Biomassas

Preparação do concentrado bacteriano

Esta cepa bacteriana foi propagada, primeiramente, num meio de cultura

sólido (TSB), para estoque e posteriormente cultivada num meio de cultura

liquido (Composições nas tabelas 1).

A cultura foi realizada em balões de Erlenmeyer de 250 mL num shaker

rotatório (CIENTEC CT-712) a 28 ºC durante 72 horas. Após o crescimento, a

suspensão celular foi centrifugada a 4500 RPM durante 8 minutos. O

concentrado da centrifugação, constituído pelas células da bactéria, foi lavado

três vezes com água deionizada e posteriormente resuspenso numa solução de

10-3 M de NaCl.

Finalmente a suspensão concentrada obtida foi esterilizada e refrigerada

até o seu uso. A concentração celular da suspensão bacteriana foi determinada

por meio da densidade ótica num espectrofotômetro UV/Vis (UV-

Spectrophotometer, UV-1800, Shimadsu) em comprimentos de onda específica

para a bactéria (λ=620nm)

Tabela 1 - Meio de cultivo TSB (Tryptone Soy Broth – TSB)

COMPONENTE SÓLIDO

(G/L)

LÍQUIDO

(G/L)

Triptona

Enzima digestora

NaCl

Agar

pH

15

5

5

10

7,0

15

5

5

--

7,0

Preparação da casca de banana.

Para o preparo da biomassa removeu-se toda a água da casca da banana

por dois métodos: secagem em estufa a 50ºC e forno micro-ondas. Inicialmente

o tempo de secagem foi de 20h, e depois, a biomassa foi submetida a novo

aquecimento com monitoramento da massa, até que fosse constante. Depois de

seca, a biomassa foi triturada e peneirada, para ajustar a granulometria.

4.2 Ativação da Biomassa de Banana

Foram realizadas ativações com quatro reagentes diferentes, conforme a

tabela 2 abaixo.

Tabela 2 – Reagentes utilizados na ativação da biomassa

Reagente Concentração Tempo de Ativação

NaOH 1 M 3 horas

NaOH 0,1 M 3 horas

NaOH 0,05 M 5 horas

H2O2 0,1 M 3 horas

H2SO4 0,1 M 3 horas

HNO3 0,1 M 3 horas

A ativação consistiu em deixar a biomassa seca em contato com o

reagente, na concentração e tempo especificados, a uma rotação de 250rpm.

Após esse procedimento, a biomassa foi filtrada e lavada com água destilada até

pH neutro, próximo de 7. Depois de neutralizada, a biomassa foi levada a estufa,

a uma temperatura de 50ºC, por 24h, para secagem, e depois, deu-se início aos

testes de biossorção.

Foram realizados dois ensaios adicionais de ativação, um com NaOH

0,1M, 3 horas, mas a 45ºC,

4.3 Ensaios de Biossorção

Foram realizados ensaios de biossorção, tanto para a bactéria quanto

para biomassa de banana, com valores de pH, concentração de metal,

temperatura e tempo de biossorção anteriormente pré-determinados, conforme

a tabela 3.

Tabela 3 – Condições dos ensaios de biossorção

pH 7

Concentração de Biomassa 0.5 mg/L

Concentração de Metal 20 mg/L

Temperatura 25°C

Tempo de Biossorção 30 minutos

Todos os ensaios foram submetidos a uma análise de absorbância, para

verificar a eficiência da biossorção, comparando valores da solução antes

(branco) e depois do ensaio.

5 RESULTADOS

Os resultados dos ensaios de biossorção estão apresentados na tabela 4

e no gráfico 1 a seguir:

Tabela 4 – Resultados dos ensaios de biossorção

Biossorvente Preparo Ativação % de metal absorvido

Amostra 1 Amostra 2 Média Erro (%)

Bactéria x x 27.98 29.18 28.58 4.11

Casca de Banana

Microondas

x 47.72 47.15 47.44 1.19

NaOH 0,1 M 62.99 67.91 65.45 7.24

NaOH 0,05 M 68.97 66.06 67.51 4.22

H2SO4 0,1 M 55.76 54.46 55.11 2.33

Estufa

x 23.42 42.36 32.89 44.71

NaOH 0,05 M 72.03 67.46 69.75 6.34

NaOH 0,1 M 68.62 70.98 69.8 3.32

H2SO4 0,1 M 55.66 55.21 55.44 0.81

NaOH 0,1 M (finos) 69.73 61.43 65.58 11.90

NaOH 0,1 M - 45°C 66.79 61.38 64.08 8.10

Gráfico 1 – Resultados dos ensaios de biossorção

Os melhores resultados encontrados, com adsorção de praticamente 70%

de metal, foram para a casca de banana que foi seca em estufa e ativada com

solução de NaOH diluída.

0

10

20

30

40

50

60

70

1

%

Ensaios

Eficiência da Biossorção

Bactéria

Casca de Banana - Microondas - Sem ativação

Casca de Banana - Microondas - Ativação NaOH 0,1M

Casca de Banana - Microondas - Ativação NaOH 0,05M

Casca de Banana - Estufa - Sem ativação

Casca de Banana - Estufa - Ativação NaOH 0,1M

Casca de Banana - Estufa - Ativação NaOH 0,05M

Casca de Banana - Estufa - Ativação NaOH 0,1M

Casca de Banana - Estufa - Ativação H2SO4 0,1M

Casca de Banana - Estufa - Ativação NaOH 0,1M (com finos)

Casca de Banana - Estufa - Ativação NaOH 0,1M (45ºC)

Em relação ao método de secagem, não foi observada uma mudança

muito grande de um método para o outro ao comparar o mesmo tipo de ativação,

o que é bom, uma vez que a secagem não deve modificar a estrutura da casca

da banana, composta em sua maioria por celulose, hemicelulose e pectina, e

somente retirar a água presente.

Em relação a casca de banana não ativada, a secagem no micro-ondas

forneceu uma maior adsorção que a secagem em estufa, e isso pode ter

acontecido porque a biomassa pode não ter ficado tempo suficiente na estufa,

não perdendo completamente sua água. Isso pode ser observado no erro de

análise, onde as duas amostras coletadas apresentam valores de remoção

diferentes. Isso não acontece com os procedimentos ativados porque logo após

a ativação a biomassa ativada passa por outro procedimento de secagem, que

retira a água residual.

O procedimento de ativação é um artifício utilizado para disponibilizar os

grupos funcionais presentes na celulose, hemicelulose e pectina, fazendo com

que estejam mais reativos, e consigam capturar o metal presente em solução. A

partir daí, pode-se dizer que o reagente que melhor interagiu com esses grupos

funcionais, modificando-os, foi o NaOH.

É importante observar que para as duas concentrações testadas a

porcentagem de remoção é a mesma, e o que muda é somente o tempo de

ativação. Apesar do NaOH 0,1M possuir um menor tempo de ativação, de três

horas, ele requer mais esforço para a lavagem e neutralização da biomassa, que

não utiliza reagentes para não reverter o processo de disponibilização dos

grupos funcionais, utilizando somente água deionizada.

Ao avaliar a ativação com NaOH 0,1M para mais dois casos, a uma

temperatura mais alta e usando partículas menores, não se observa um aumento

nos valores de remoção de metal, que são maiores que nos outros casos, mas

ainda não superam o caso do NaOH a temperatura ambiente e granulometria

ajustada.

Sendo assim, o melhor procedimento de ativação, dentre os realizados,

para a casca de banana é o que utiliza NaOH 0,05M, por cinco horas.

6 CONCLUSAO

Pode-se concluir, de acordo com o estudo realizado, que a casca de

banana é capaz de realizar a biossorção de metais de forma mais eficiente que

a bactéria R. erythopolis, com uma porcentagem de adsorção em torno de 45%,

enquanto que a bactéria tem seu máximo de adsorção em torno de 30% do

metal.

Outro ponto importante a se concluir é que a biomassa preparada de

casca de banana pode ter seu potencial de biossorção aumentado a partir da

ativação, disponibilização dos sítios ativos.

Dentre os métodos de ativação estudados, o que demonstrou melhor

desempenho foi o que utiliza NaOH 0,05M, durante cinco horas, e a temperatura

ambiente, com potencial de biossorção em torno de 70%, maior que o da

biomassa in natura, e também maior que a bactéria.

Em quase todas as análises realizadas, exceto para a casca de banana

seca em estufa sem ativação e com ativação de NaOH 0,1M utilizando finos,

pode-se observar um erro menor do que 10%, mostrando boa repetitividade.

Para o caso da utilização de finos, o erro foi de 12%, que apesar de um

pouco além do erro desejado, ainda pode ser considerado bom, porém, o erro

encontrado para a casca de banana seca em estufa e sem ativação é de quase

45%, considerado muito alto, que pode ser devido a falhas no procedimento de

secagem, deixando parte da biomassa ainda úmida ao realizar a biossorção.

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