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Valências Ambientais em Engenharia Biológica
Valências Ambientais em Engenharia – Licenciatura em Engenharia do Ambiente – 2010/11
VALÊNCIAS AMBIENTAIS EM ENGENHARIA BIOLÓGICA
Helena M. Pinheiro, DEBQ
Torre Sul – piso 8 – gab [email protected]
Aula baseada no livro:A. Scragg, Environmental Biotechnology, 2nd Ed., Oxford University Press, Oxford, 2005
Artigo de apoio:M. Gavrilescu, Y. Chisti, Biotechnology – a sustainable alternative for chemical industry, Biotechnology Advances, 23(2005), 471-499.
Valências Ambientais em Engenharia Biológica
Valências Ambientais em Engenharia – Licenciatura em Engenharia do Ambiente – 2010/11
Biologia
Reactores/catálise
Transportes de massa/energia
Separação/purificaçãode produtos químicos
Ciências de EngenhariaQuímica
Matemática Física
Química
BioquímicaBiologia molecular
ENGENHARIA QUÍMICA
ENGENHARIA BIOLÓGICA
Produtos biológicosalimentos/bebidas
produtos animais/vegetais
Produtos químicos básicos (grande consumo)
especialidades químicas/cosméticos/fármacos/reagentes de diagnóstico
Energia produção/transformação/armazenamento
EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
Biorreactores/biocatálise
Separação/purificaçãode produtos biológicos
Ciências de EngenhariaBiológica
Engenharia de biossistemas
ENGENHARIA BIOLÓGICA ENGENHARIA QUÍMICAversus
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A BIO-FÁBRICA
recurso
resíduo
substância poluente
SUBSTRATO
recurso renovado
produto para uso
indicador de poluição
PRODUTO
ORGANISMO
ORGANISMOORGANISMO
ORGANISMO
©Wikimedia commons
SUBSTÂNCIA ACTIVA
enzima (biocatalizador)
proteína (ex. anticorpo)
material genético
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Porque se utilizam processos de Engenharia Biológica?
CO2
ETANOL
aromas e tensioactivos
AMIDO AÇÚCARES
agente oxidante
hidrólise (ácido ou
base forte)
PROCESSOQUÍMICO
PROCESSOBIOLÓGICO
agente redutor +catalisador reagentes/
catalisadores múltiplos
enzimasgerminativas
levedurasfermentativas
ex: CERVEJA – não se sabe fazer por via da Engenharia Química
PRODUTOFORA DEESPECIFICAÇÃO
PRODUTOESPECIFICADO
FACTORES
Qualidade do produto
Energia Consumos Matérias-primas Auxiliares
Subprodutos / resíduos
A BIO-FÁBRICA
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Porque se utilizam processos de Engenharia Biológica?
ex: VITAMINA B2 – é mais barato fazer por via da Engenharia Biológica
PROCESSOQUÍMICO
GLUCOSE VIT-B2 VIT-B2 (96% pura)grau alimentar
custo relativo = 1 6 etapas dereacção química
recuperaçãopurificação
PROCESSOBIOLÓGICO
VIT-B2 (80% pura)grau pecuário
GLUCOSE VIT-B2
custo relativo = ~ 0,5
fermentaçãoBacillussubtilis(OGM)
recuperação
VIT-B2 (96% pura)grau alimentar
custo relativo= ~ 0,7
purificação
FACTORES
Qualidade do produto
Energia Consumos Matérias-primas Auxiliares
Subprodutos / resíduos
A BIO-FÁBRICA
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RECURSOS
PRODUTOS RESÍDUOS
regeneraçãoextracção /fabricação
utilização /rejeição final
Onde estão as vantagens da Engenharia Biológica?
menos recursos gastos
maior uso de recursosrenováveis
mais/novasfunções emprodutos
menos resíduosgerados nafabricação
AMBIENTE
resíduos com risco menor dedegradação de recursos(ex. baixa toxicidade)
resíduos deregeneração facilitada(ex. biodegradabilidade)
SUSTENTABILIDADEVANTAGEM-CHAVE:
O USO DOS RECURSOS NATURAIS
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USO (MAIS) SUSTENTÁVEL DE RECURSOS
Desvio no ciclo do carbono
CO2
produtores(C-orgânico)
consumidores(C-orgânico)
decompositores(C-orgânico)
CO2
O2
O2
CO2
O2
O2
C-FÓSSIL
REFINARIAS DE CARBONO FÓSSIL
(BIO)OXIDAÇÃO
[O]
PRODUTOS
PROCESSOS BIOGEOQUÍMICOS
USO / REJEIÇÃO
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USO (MAIS) SUSTENTÁVEL DE RECURSOS
Fechar o ciclo do carbonoem tempo útil
BIORREFINARIAS
CO2
produtores(C-orgânico)
consumidores(C-orgânico)
decompositores(C-orgânico)
CO2
O2
O2
CO2
O2
O2
BIOMASSA
(BIO)OXIDAÇÃO
[O]
BIO-PRODUTOS
USO / REJEIÇÃO
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BIORREFINARIAS
A partir da biomassa
USO (MAIS) SUSTENTÁVEL DE RECURSOS
BIOMASSA
CO2, H2O
RESERVAS ENERGÉTICAS
ÓLEOS POLISSACARÍDEOS
MATERIAL LENHO-CELULÓSICO
CELULOSE HEMICELULOSE LENHINA
extracção/refinação
química ouenzimática
AÇÚCARES
bio-tensioactivosbio-metano
bio-hidrogénio
bio-plásticosbio-floculantes
bio-gasolinas (etanol / butanol)bio-solventes (acetona, isopropanol)
bio-intermediários(glicerol/1,3-propanodiol
ácidos acético/láctico/fumárico/succínico)
fermentação
outros produtos químicos (solventes, plásticos,
cosméticos, fármacos)
síntesequímica
pigmentosanti-oxidantes
biocidasbio-dieseis
combustãotermólise
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USO (MAIS) SUSTENTÁVEL DE RECURSOS
BIORREFINARIAS
Biocombustíveis por fermentação
hidratos de carbono
proteínasgorduras
açúcares
aminoácidosácidos gordos
CO2
O2
H2O
NO3-
N2
SO42-
H2S
aeróbioanóxico
anaeróbio
energia
energia
acetatoNH3
CO2
Catabolismo aeróbio/facultativo
Biomassa (substrato)
bio-álcooisbio-ácidos
NH3
CO2
acetato H2
CO2 CH4
ácidos gordosaçúcaresaminoácidos
energia
energia
energia
hidratos de carbono
proteínasgorduras
Catabolismo anaeróbio estrito
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BIORREFINARIAS Bio-plásticos
USO (MAIS) SUSTENTÁVEL DE RECURSOS
poli-hidroxi-alcanoatos (poliésteres)
poli-hidroxi-butirato (PHB)
poli-hidroxi-valerato (PHV)
co-polímero PHBV
Ralstonia eutrophaAzotobacter vinelandiiAlcaligenes latus
Telles, EUA
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Lipopéptido(surfactina)Bacillus subtilis
ramnolípidoPseudomonasaeruginosa
soforolípidoCandidabombicola
USO (MAIS) SUSTENTÁVEL DE RECURSOS
BIORREFINARIAS Bio-tensioactivos
hidrato de carbono + óleo vegetal glico-lípido
bactérias / leveduras
fonte de N + óleo vegetal lipo-péptido
alimentosfármacos/cosméticostintas/plásticosremediação de solos contaminadosextracção melhorada de petróleo
Sopholiance®
(Soliance, França)
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USO (MAIS) SUSTENTÁVEL DE RECURSOS
QUIMIO/BIO-DESSULFURIZAÇÃO utilização mais limpa de combustíveis fósseis
viabiológica
biorreactoranaeróbio
biorreactoraeróbio
H2S
H2 ou C-orgânico O2
So
Desulfovibrio Thiobacillus
[comercial -BIODESOX®]
[comercial -THIOPAQ®]
H2
hidro-dessulfurização H2SO2
SoProcesso Claus
combustívelfóssil
dessulfurização
C + S
combustão
dessulfurização
C + S-residual
CO2 + SO2/SO3
CO2
O2
sulfito/sulfatode Na ou Ca
Na+, Ca2+
viabiológica
S HO
Rhodococcus
SO42-
[emtestes]
dibenzotiofenos(resistentes à hidro-dessulfurização)
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USO (MAIS) SUSTENTÁVEL DE RECURSOS
AGRICULTURA
leguminosasRhizobium
N2
NH3
Inóculo deRhizobiumcomercial
Biofertilizantes
composto derivado de resíduos sólidos orgânicos
fixação biológica de azoto atmosférico
raízes demilho-BT vs.milho originalapós ataque delarvas de insectos
USDABio-pesticidas
Toxina de Bacillus thuringiensis (proteína)
insecticida específico (formulaçõescomerciais)
expressa em culturas transgénicas(ex. milho, algodão)
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ENGENHARIA BIOLÓGICA ENTRE RESÍDUOS E RECURSOS
RECURSOS
RESÍDUOS
regeneração
BIO-TESTES / BIO-MODELOSprevisão do impacto de resíduos nos recursos [biológicos]
BIO-TRATAMENTOconversão de resíduos sólidos/líquidos/gasosos
BIORREMEDIAÇÃOreposição da qualidade de recursos degradados
BIO-MONITORIZAÇÃOanálise da qualidade de recursos
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esgotobruto
esgototratado
lamas(fertilizante agrícola)
C-orgânico dissolvido CO2 + CH4 + biomassa + C-orgânico residual (~20%)
BIORREACTOR ANAERÓBIO
C-orgânico dissolvido + O2 CO2 + biomassa + C-orgânico residual (~5%)
BIORREACTOR DE LAMAS ACTIVADAS (AERÓBIO)
C-orgânico em suspensão CO2 + CH4 + biomassa + C-orgânico dissolvido residual + C-orgânico em suspensão (de biodegradação lenta)
DIGESTOR ANAERÓBIO
BIO-TRATAMENTO DE RESÍDUOS
BIORREACTORES EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS
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BIO-TRATAMENTO DE RESÍDUOS
BIORREACTORES EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS
biomassa granular
biorreactor de leito de lamas e fluxo ascendente (UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket)BIOPAQ® UASB,
Paques, NL
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BIO-TRATAMENTO DE RESÍDUOS
BIORREACTORES EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS
Digestores anaeróbios de lamas de ETAR
lamas de ETAR desidratadas
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ar
NO2- , NO3
-N2
BIO-TRATAMENTO DE RESÍDUOS
BIORREACTORES EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS
Biorremoção de N-orgânico por nitrificação-desnitrificação
NO2-, NO3
- + C-orgânico N2 + CO2
zona anóxica
N-orgânico NH3 NO2- NO3
-
O2O2
bactérias nitrificantes
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BIORREACTORES EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS
Biorremoção de P por acumulação nabiomassa
BIO-TRATAMENTO DE RESÍDUOS
ar
NO2- , NO3
-N2
zona
anaeróbica
bactérias acumulam
reservas de C-orgânico
biomassa rica
em poli-PPolifosfato (Poli-P)
P
O
O-
OP
O
O-
OP
O
O-
O ......
zona
anóxica
zona
aeróbica
bactérias
acumulam poli-P
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BIO-TRATAMENTO DE RESÍDUOS
TRATAMENTO DE EFLUENTES LÍQUIDOS EM ZONAS HÚMIDAS CONSTRUÍDAS
biofilme
humidaderaiz
O2
RAIZ
C-orgânico
CH4CO2
N-orgânico
N-orgânico
NH4+
NH4+
NO3-
NO3-
N2
C-orgânico
CO2
zonaaeróbica
zonaanóxica / anaeróbica
raiz
O2
O2
CO2
CH4
N2
Biofilmemicrobiano
Phragmites (caniço)
rizoma de Phragmites
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BIO-TRATAMENTO DE RESÍDUOS
TRATAMENTO DE EFLUENTES LÍQUIDOS EM ZONAS HÚMIDAS CONSTRUÍDAS
impermea-bilização
plantação
colocaçãodo suporte
leitodesenvolvido
Leitos de tratamento de efluentes industriais(Quimigal, Estarreja)
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enchimentocom biofilme
ar
ar depurado
purga debiomassa
make-up deágua/nutrientes
ar depurado
arbiorreactor
make-up deágua/nutrientes
purga debiomassa
BIO-TRATAMENTO DE RESÍDUOS
BIOLAVADORar
ar depurado
CO2
H2O, N, P
REMOÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS VOLÁTEISDE EFLUENTES GASOSOS
BIOFILTRO DE PERCOLAÇÃO
ar
ar depurado
H2O, N, P
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BIOFILTRO DE COMPOSTO
arcontaminado
leito de composto
gravilha +filme impermeável
ar depurado
composto(Tratolixo, Portugal)
Arlington, EUA
Biofiltros para controlo de odores emtratamento de águas residuais
BIO-TRATAMENTO DE RESÍDUOS
REMOÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS VOLÁTEISDE EFLUENTES GASOSOS
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COMPOSTAGEM DA FRACÇÃO ORGÂNICA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS
MATÉRIAORGÂNICABRUTA
ETVO Valorsul(São Brás, Amadora)
BIO-TRATAMENTO DE RESÍDUOS
CO2, H2O, NH3, saisO2
MATÉRIAORGÂNICARESIDUAL
CO2, CH4, H2S, H2O, NH3, sais
biorreactor anaeróbio
biorreactor aeróbio O2
matéria orgânicaresidual
+ substâncias
húmicasbiorreactor
de maturação
COMPOSTO
central de compostagem Amarsul (Setúbal)
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BIO-TESTES / BIO-MONITORIZAÇÃO
CONDIÇÕES ( CBO520)
• pH neutro• inóculo adaptado à amostra• nutrientes em concentração não limitante • incubação ao abrigo da luz• 20ºC• 5 dias
O2
água de diluição arejada
inóculo microbiano
amostra
nutrientes
solução concentradade NaOH ou KOH
manómetro
sistemaelectrolítico
O2 consumido
tempo de incubação
biomassa
C-orgânico
CO2
NH3 NO3-
5 dias
CBO5
CBOtotal
MEDIDA DA CARÊNCIA BIOQUÍMICA DE OXIGÉNIO
qualidade de águas naturais
risco associado a descarga de águas residuais
biodegradabilidade / toxicidade de substânciasquímicas
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sistema electrolítico Sistema manométrico
sistema com sensor de oxigénio dissolvido
MEDIDA DA CARÊNCIA BIOQUÍMICA DE OXIGÉNIO
BIO-TESTES / BIO-MONITORIZAÇÃO
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MEDIDAS DE TOXICIDADE AGUDA COM BACTÉRIAS LUMINESCENTES
BIO-TESTES / BIO-MONITORIZAÇÃO
Vibrio fischeri
TesteMicrotox®
Intensidade deluz emitida
Concentraçãode poluente
100%
50%
EC50
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VALÊNCIAS AMBIENTAIS EM ENGENHARIA BIOLÓGICA - Exemplos
USO DE RECURSOS
Bio-fertilizantes
Agricultura
Bio-pesticidas
Plantas transgénicas
Extração melhorada de petróleo
Recursos não renováveis
Bio-lixiviação de minérios
Tecnologias de fabricação limpas
Uso de enzimas em processosquímicos
Bio-combustíveis
Energia
Dessulfurização decombustíveis e produtos de combustão
Bio-produtos básicos paraprocessos químicos
Substituição de produtos derivadosde carbono fóssil
Bio-plásticos
Biorrefinarias
Bio-polímeros
Bio-tensioactivos
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VALÊNCIAS AMBIENTAIS EM ENGENHARIA BIOLÓGICA - Exemplos
TRATAMENTO DE RESÍDUOS
Biolavadores / biofiltros
Poluentes do ar
Biorreactores aeróbios/anaeróbios
Poluentes da água
Biorremoção de N e P
Biorremoção de metais pesados
Compostagem
Resíduos sólidos
Biorremediação
Solos/águas subterrâneas/águas marinhas
REMEDIAÇÃO DE RECURSOS
Testes de biodegradabilidade
Avaliação de risco de resíduos
Bio-sensores para poluentes específicos
Bio-indicadores / bio-marcadores
Avaliação da qualidade de recursos
Testes de toxicidade
MONITORIZAÇÃO DE RECURSOS