Biodegradação dos compostos BTEX em um reator com biofilme

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química.Atualmente diversos estudos estão sendo realizados com o objetivo de desenvolver unidades de tratamento de efluentes mais compactas que operem com maior flexibilidade e com um bom desempenho na remoção de compostos tóxicos como os BTEX (benzeno, tolueno, etilbenzeno e xilenos). Os compostos BTEX presentes nestes efluentes apresentam um elevado potencial de poluição, representando um sério risco ao meio ambiente e ao ser humano, sendo que o benzeno é considerado o mais tóxico, fato este que está relacionado diretamente ao seu potencial carcinogênico e mutagênico. Os maiores avanços na área de tratamento biológico de efluentes líquidos foram alcançados através de processos que utilizam biofilmes suportados em materiais inertes particulados que, através do processo de biodegradação, são capazes de degradar compostos tóxicos. Estes processos com biofilme aderido apresentam como vantagens: maior concentração de biomassa retida com uma atividade metabólica mais elevada; aplicação de maior carga orgânica; apresentam grande área de transferência de massa entre as fases; instalações mais compactas; sistemas mais estáveis e possuem uma maior capacidade para tolerar poluentes recalcitrantes e tóxicos que os processos convencionais. As operações favoráveis para operar plantas industriais que visam à biodegradação de compostos químicos podem ser preditas através da modelagem matemática e simulação numérica dos fenômenos envolvidos. No presente trabalho é utilizado um modelo de uma única equação para descrever o perfil de concentração dos compostos BTEX ao longo de um biorreator com biofilme em leito fixo, sendo que a equação considera os diferentes mecanismos que controlam a transferência de massa, tais como: efeitos de dispersão, convecção e reação na fase líquida, difusão e reação dentro do biofilme seguindo a cinética de reação de Michaelis-Menten. Este modelo matemático é válido desde que a condição de equilíbrio mássico local seja respeitada. Os parâmetros cinéticos dos compostos BTEX foram obtidos experimentalmente em um biorreator de leito fixo, em batelada, com biomassa imobilizada em carvão ativado sendo alimentado diariamente com solução de nutrientes e BTEX. Os ensaios experimentais mostraram que a biomassa presente no interior do biorreator é capaz de degradar todo o composto em um tempo de aproximadamente 300 minutos. A equação utilizada no modelo é discretizada utilizando o método de volumes finitos. O estudo utiliza um modelo computacional desenvolvido em linguagem Fortran para a simulação de diferentes parâmetros do processo a fim de prever a remoção dos compostos indesejáveis. Os parâmetros estudados foram: concentração de alimentação do composto, vazão de alimentação, área e comprimento do biorreator e a porosidade do leito. Os resultados obtidos através da simulação foram comparados com resultados experimentais encontrados na literatura, apresentando boa concordância. Os resultados das simulações mostraram que todos os parâmetros avaliados influenciam a biodegradação dos compostos BTEX, e que o modelo matemático e a metodologia numérica podem ser usados como uma ferramenta para prever o comportamento dinâmico e estacionário do processo de biodegradação podendo ser utilizado para determinar condições operacionais economicamente ótimas do sistema. Recently several studies are being carried out in order to develop units of effluent treatment more compact that operate with larger flexibility and with a good performance in the removal toxic compounds, as the BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene and xylene). The compounds BTEX inside of this effluent have presented a high potential of pollution, representing a serious risk to the environment and to the human being, once the benzene is considered the most toxic one, fact this which is related directly to its mutagenic potential and malignant tumor. The great improvements in the field of biological treatment of liquid effluent were reached through the process that uses biofilm supported in particle inert materials that is capable of degrading toxic compounds by the process of biodegradation. These processes with an attached biofilm have presented some advantages, such as: larger biomass concentration retained with a more raised metabolic activity; application of a larger organic load; they have presented a great area of mass transfer between the phases, more compact installations, more stable systems and a larger capacity to tolerate recalcitrant and toxic pollutants than conventional processes. The favorable operations to operate industrial design that aim at the biodegradation of chemical compounds can be predicted through mathematical modeling and numerical simulation of the mass transfer phenomena. The present work uses a model of one single equation to describe the concentration profile of BTEX compounds throughout a fixed bed bioreactor with biofilm, once the equation considers the different mechanisms that control the mass transfer, such as: dispersion, convection and reaction effects in the liquid phase; diffusion and reaction inside the biofilm following the Michaelis-Menten's reaction kinetic. This mathematical model is valid since the local mass equilibrium condition is respected. The kinetic parameters of BTEX compounds were experimentally obtained in a fixed bed bioreactor in batch with biomass immobilized in activated-carbon being fed daily with solution of nutrients and BTEX. The experimental tests showed that the biomass inside of bioreactor is capable to degrade all compounds in a time of approximately 300 minutes. The equation used in the model is discretized using the finite volume method. This study uses a computational model developed in language FORTRAN to simulate various process parameters in order to predict the undesirable compounds removal. The studied parameters were: feed compound concentration, feed flow, area and length bioreactor and the bed porosity. The results obtained by simulation were compared with experimental results found in literature, presenting good correlation. The results of the simulations showed that all evaluated parameters influence the biodegradation of compounds BTEX, and that the mathematical model and the numerical methodology can be used as a tool to predict the dynamic and stationary behavior of biodegradation process being able to be used to determine optimum economically operational conditions of the system

Modelagem matemática, simulação numérica e ensaios experimentais da biodegradação dos compostos BTX em um reator com biofilme

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2012.As indústrias petroquímicas são responsáveis pela geração de grandes quantidades de efluentes líquidos com um elevado potencial de poluição, pois apresentam compostos tóxicos como o benzeno, tolueno e xilenos, conhecidos por BTX. Estes contaminantes, mesmo em baixas concentrações, representam um sério risco ao meio ambiente e ao ser humano, devido às suas propriedades neurotóxicas, carcinogênicas e teratogênicas, sendo de extrema necessidade sua remoção dos efluentes. Com a atual preocupação com a economia de água e as leis para descarte de efluentes industriais cada vez mais rigorosas, tem-se a necessidade de melhorias nos sistemas de tratamento destes efluentes. Considerando estes aspectos, estudos estão sendo realizados para desenvolver unidades de tratamentos de efluentes que apresentam um bom desempenho na remoção de compostos tóxicos. Inúmeras pesquisas indicam a degradação biológica como sendo o principal mecanismo para a minimização das características tóxicas dos poluentes. Neste trabalho estudou-se o processo de biodegradação dos compostos BTX individuais e em mistura, para o processo batelada e contínuo, utilizando-se biofilmes suportados em partículas de carvão ativado. Os resultados obtidos demonstram que o biofilme é capaz de biodegradar completamente os compostos BTX individualmente e em misturas binárias e ternárias, no processo em batelada e em contínuo. Através de procedimentos experimentais, em batelada, determinou-se os parâmetros cinéticos e estequiométricos do modelo de Andrews e Monod para a biodegradação individual dos compostos BTX, e para a biodegradação da mistura BTX, utilizou-se os modelos de inibição competitiva, acompetitiva e não competitiva, bem como o modelo soma cinética dos parâmetros de interação (sun kinetic interactions parameters - SKIP). A biodegradação individual dos compostos BTX foi adequadamente representada pelos modelos de Andrews e Monod. O modelo SKIP proporcionou a melhor representação da cinética de biodegradação da mistura BTX e em alguns casos para a mistura binária, possibilitando mostrar a existência de interações não específicas entre estes substratos. Durante a biodegradação sugere-se, em alguns casos, a presença do fenômeno de cometabolismo e para algumas situações o fenômeno inibição competitiva. Para o processo contínuo avaliou-se a eficiência na remoção dos compostos BTX para diferentes concentrações e vazões de entrada, e verificou-se que o biofilme está apto a biodegradar estes compostos, eliminando sua toxicidade. Os resultados obtidos através da análise de sequenciamento de DNA, mostraram que as bactérias predominantes no biofilme são do gênero Pseudomonas sp., o que é coerente para esses sistemas. Neste trabalho é desenvolvido um modelo matemática completo capaz de descrever o processo de biodegradação de compostos tóxicos, em um biorreator com biofilmes em leito fixo. Este modelo é baseado nas leis de conservação da massa e da espécie química, onde se utiliza o Método da Média no Volume. O modelo é desenvolvido para a microescala, que é formada pelo biofilme; e para a macroescala, que é formada pelas biopartículas (que traz informações da microescala) e para o efluente. O Modelo matemático final é constituído por duas equações, uma para a fase sólida (biopartículas = biofilme + suporte) e outra para a fase líquida (efluente). Estas duas equações são resolvidas simultaneamente pelo Método de Volumes Finitos, possibilitando a predição da biodegradação de compostos indesejáveis. Os resultados numéricos da biodegradação são comparados com resultados experimentais para três casos distintos, sendo obtida uma excelente concordância em todos os problemas estudados, possibilitando desta forma corroborar o modelo matemático e o algoritmo numérico desenvolvido.Abstract : The petrochemical industries are responsible for the generation of a large quantity of liquids that have a high potential of pollution, since they have toxic compounds such as benzene, toluene and xylenes, known by BTX. These contaminants, even at low concentrations, are extremely dangerous to the environment as well as to humans due to their neurotoxic, carcinogenic and teratogenic properties, and need to be removed from the effluents. Due to the current concern about water conservation and the increasing strict laws for disposal of industrial effluents, there is an urgent need for improvements in the wastewater treatment systems. Considering these aspects, studies are being conducted to develop wastewater treatment units that have a good performance in the removal of toxic compounds. Several studies show the biological degradation as the main mechanism for minimizing the toxic characteristics of the pollutants. The biodegradation process of the BTX as individual compounds and mixture was studied to the batch and continuous process, using biofilms supported on activated carbon particles. The results showed that the biofilm is able to completely biodegrade BTX individually as well as in binary and ternary mixtures, in the batch and continuous processes. Through batch experimental procedures, it was determined the kinetic and the stoichiometric parameters of Andrews and Monod models for biodegradation of BTX individual compounds, and the BTX biodegradation mixture was used for the competitive, acompetitive and non-competitive inhibition models, as well as the sum of kinetic model of interaction parameters (sun kinetic parameters interactions - SKIP).. The biodegradation of individual BTX compounds was adequately represented by Monod and Andrews models. The SKIP model provided the best representation of biodegradation kinetics of BTX mixture and in some cases also to the binary mixture, allowing showing the existence of non-specific interactions between these substrates. During the biodegradation process, it was suggested in some cases, the presence of cometabolism phenomenon and in some situations, the competitive inhibition. It was evaluated to the continuous process the removal efficiency of BTX compounds at different concentrations and flowrates, and it was found that the biofilm is capable of biodegrading these compounds and eliminating its toxicity. The results obtained by the analysis of DNA sequencing showed that the predominant bacteria in biofilms is of the genus Pseudomonas sp., which is consistent for these systems. In this work it was developed a complete mathematical model able to describe the biodegradation process of toxic compounds in a bioreactor with fixed bed biofilms. This model was based on the laws of conservation of mass and chemical species, which uses the average method in volume. The model was developed for the micro, that is formed by the biofilm; and for the macroscale that is formed by bioparticles (which provides information of microscale) and to the effluent. The final mathematical model consisted of two equations, one for the solid phase (bioparticles = biofilm + support) and one for the liquid phase (effluent). These two equations were solved simultaneously by finite volume method, enabling the prediction of biodegradation of undesirable compounds. The numerical results of biodegradation were compared to experimental results for three different cases. An excellent agreement was obtained in all studied problems, allowing corroborate the mathematical model and numerical algorithm developed

β-Cyclodextrins as Encapsulating Agents of Essential Oils

Many scientific studies have made advances in the ability to encapsulate natural extracts by cyclodextrins. These studies have addressed the physical and chemical conditions of the encapsulation reactions, employed several types of essential oils and characterized the microcapsules as to their ability to release encapsulated active principles. The essential oils studies with cyclodextrin encapsulation processes have been highly varied. However, the most studied are the essential oils with antimicrobial and antioxidant capacities. The essential antimicrobial and antioxidant oils are easily degraded. In the presence of oxygen, they are oxidized, and at low temperatures, they are volatilized and decomposed. Thus, cyclodextrins are coatings capable of protecting these essential oils from environmental conditions and agents capable of promoting oil degradation, in addition to controlling their release. In this chapter of the book, we review scientific papers that examine the encapsulation of antimicrobial essential oils and antioxidant essential oils with β-cyclodextrins

ESTUDO DE VIABILIDADE PARA SUBSTITUIÇÃO DE MONITORES COM TECNOLOGIA CRT E LCD POR LED

O interesse da sociedade por um desenvolvimento sustentável vem crescendo nos últimos anos. A preocupação com o meio ambiente, a busca por uma melhor qualidade de vida e os critérios econômicos precisam andar em paralelo. Dentro da área da tecnologia da informação, novas tecnologias surgem dia após dia, fazendo com que muitas outras se tornem obsoletas. Para exemplificar o exposto, pode-se citar os monitores de Cathode-ray Tube (CRT) que cederam espaço às telas de Liquid Crystal Display (LCD), que por sua vez perderam o posto para os displays de Light Emitting Diode (LED). O LED surge como tecnologia com foco na eficiência energética e na qualidade de resolução. Mas qual é o ganho energético do LED frente ao LCD? Pensando nisso, buscou-se analisar os benefícios energéticos de uma possível troca dos monitores CRT e LCD da Universidade Comunitária da Região de Chapecó (Unochapecó), por monitores da referida tecnologia. Através de análises e comparações de critérios econômicos e energéticos, o presente estudo busca verificar se a proposta se encaixa dentro de todos os critérios abordados pela sustentabilidade. De posse dos dados resultantes da pesquisa, chegou-se ao entendimento de que a troca completa não seria viável, mas que os monitores do tipo LED, são a opção certa para novas aquisições

Hidrólise enzimática de lipídeos presentes em efluentes

Os efluentes de indústrias alimentícias têm como principais constituintes os lipídeos, caracterizados por óleos, gorduras e ácidos graxos livres. Esses compostos, quando não tratados adequadamente, causam danos severos ao meio ambiente, como a formação de filmes de óleo e espumas nas superfícies aquáticas, flotação da biomassa, toxicidade a determinados microrganismos, e em sistemas de tratamento de efluentes, pela degradação natural destes lipídios ser um processo biológico muito lento, acabam comprometendo a eficiência destes sistemas. Processos alternativos têm sido utilizados na redução da concentração de lipídeos nos efluentes por meio da ação de enzimas lipolíticas. Este trabalho teve como objetivo obter as condições ótimas do processo de hidrólise enzimática de lipídeos, variando pH (5, 7 e 9), temperatura (25, 35 e 45 ºC) e concentração da enzima lipase (0,3, 0,5 e 0,7%). Como fonte lipídica, utilizou-se óleo de soja e para a análise dos resultados, montou-se um planejamento fatorial tipo estrela 2³, com triplicata do ponto central. Como resposta utilizou-se o teor de acidez volátil, medido por potenciometria. Os resultados mostraram que, para as condições estudadas, a hidrólise do óleo de soja através da lipase, não mostrou-se estatisticamente significante, com um nível de significância de 5%, para os parâmetros estudados, e para 10% de significância, o pH linear apresentou efeito significativo

Photocatalytic Adsorbents Nanoparticles

Photocatalysis and high adsorption coupling in a same nanoparticle have been emerged as a prominent class of cost-effective materials to degrade recalcitrant contaminants in wastewater. α-Hematite, metal-organic frameworks and TiO2 nanocomposites have been investigated due to their features that overcome the other conventional photocatalysts and adsorbents to remove contaminants in aqueous medium. Several methods are applied to synthesize these nanostructures with different properties and physicochemical features and a brief review is shown to these well-established techniques to provide an understanding for the construction and application of these advanced materials

PRODUÇÃO MAIS LIMPA NA GESTÃO DE USO DE ENERGIA ELÉTRICA EM FRIGORÍFICO DE AVES DO OESTE DE SANTA CATARINA, BRASIL: UM ESTUDO DE CASO

O Brasil é o segundo maior produtor de carne de frango do mundo e o abate de frango depende de um elevado consumo de energia. A gestão eficiente de energia elétrica está diretamente relacionada à conservação dos recursos naturais e a competitividade econômica. Portanto, a produção mais limpa (P+L) é uma ferramenta favorável para otimizar processos e minimizar os impactos ambientais. O objetivo deste trabalho foi implementar a metodologia de P+L para o gerenciamento de energia elétrica em um frigorífico de aves na região oeste de Santa Catarina, Brasil. A implementação dessa metodologia gerou benefícios ambientais, como a melhoria significativa de 4,5% no indicador de energia elétrica em kWh/tonelada do processo de produção de frango, relacionado a todas as oportunidades implementadas. Esse percentual corresponde a economia de mais de 1100 MWh por ano, o que representou um mês de consumo médio de eletricidade de mais de 10 mil domicílios familiares no Brasil, demonstrando desta maneira uma contribuição socioeconômica sustentável. Proporcionou também benefícios econômicos, uma vez que foram identificadas mais de 130 oportunidades, destas, 76% foram implementadas com boas práticas operacionais e baixos investimentos, contribuindo para melhorar o desempenho da empresa

Reciclagem de resíduos têxteis: uma revisão: Textile waste recycling: a review

A área têxtil tem uma parcela significativa nas indústrias, com etapas de processos que vão desde a cultura da fibra, fiação, tecelagem, enobrecimento e beneficiamento, até a confecção dos produtos têxteis, esses utilizados para desenvolvimentos de produtos de todos tipos. Essas indústrias geram significativa quantidade de resíduos durante o processo produtivo, mas na confecção está a problemática das sobras de tecidos, com produção global estimada em torno de 150 milhões de toneladas por ano, sendo 85% desses, destinados de forma incorreta. Diante desse problema, é iminente repensar esses resíduos, transformando-os a partir de algum método de reciclagem ou de reaproveitamento, utilizando-os como matéria prima para outros processos. As soluções usuais para os resíduos têxteis é a destinação como desfibrados para serem utilizados como isolantes térmicos ou acústicos na indústria da construção civil e para enchimentos de artefatos como almofadas, por exemplo. Isto decorre da dificuldade de encontrar meios adequados de separação das misturas de fibras já que as composições dos tecidos usualmente são mistas. O objetivo deste trabalho foi apresentar estudos sobre reciclagem de tecidos por meios químicos e mecânicos, por meio de estudos da literatura.  A metodologia usada nesta pesquisa foi RSL - Revisão sistemática de literatura, em que foram selecionados trabalhos que abordaram a reciclagem de material têxtil. O panorama atualizado destas informações pode contribuir para novos esforços direcionados à reciclagem têxtil. Os resultados obtidos dão conta de um esforço contínuo, com destaque às questões de reciclagem química em tecidos mistos, grande impedimento para processos simplificados de reciclagem. Têm-se muitas iniciativas interessantes e promissoras a serem avaliadas

Efeito antimicrobiano de nanopartículas de ZnO E TiO2 frente as bactérias S. aureus e E. coli

Infecções ocasionadas por microrganismos patogênicos são um problema de saúde pública que demandam atenção e estudo já há algum tempo. Novos agentes antimicrobianos despertam interesse de estudo, visando o desenvolvimento de materiais que confiram atividade antimicrobiana. Tendo em vista esta problemática, este trabalho tem como objetivo estudar a atividade antimicrobiana de nanopartículas de óxido de zinco (NPs-ZnO) e nanopartículas de dióxido de titânio (NPs-TiO2) frente às bactérias Staphylococcus aureus (S. aureus) e Escherichia coli (E. coli). Para avaliar a atividade antimicrobiana das NPs-ZnO e NPs-TiO2 realizou-se testes de difusão em meio sólido e Concentração Inibitória Mínima (CIM). Para as NPs-ZnO, o diâmetro médio do halo de inibição foi de 1,1 ± 0,06 cm e 0,7 ± 0,15 cm para S. aureus e E. coli, respectivamente. A CIM das NPs-ZnO determinada no presente estudo para inibir S. aureus varia de 391,7 µg mL-1 e 783,3 µg mL-1, enquanto que para E. coli não foi possível determinar a CIM em virtude de a solução saturada de NPs-ZnO não ser suficiente para causar inibição efetiva desta bactéria. Já para as NPs-TiO2, não houve a formação de halo de inibição, bem como, não foi possível a determinação da CIM para nenhuma das estirpes bacterianas em estudo, reafirmando a incapacidade de inibição bacteriana das NPs-TiO2, sem uma fonte fornecedora de luz UV e/ou visível

Lanthanides Effects on TiO2 Photocatalysts

Semiconductors have been evaluated to heterogeneous photocatalysis degradation of recalcitrant contaminants in aqueous media due to the capacity of mineralizing these compounds under UV or visible light irradiation. However, this process has the inherent feature of photogenerated charges recombination and the high bandgap energy of the electronic structure of some semiconductors that can reduce the formation of reactive oxygen species, which are responsible for the compound degradation. In this context, structural modifications in semiconductors have been proposed to enhance the photocatalytic activity, such as doping processes with elements that are capable of generating superficial defects that capture the formed electrons, avoiding the recombination, or increasing the density of –OH groups or water molecules on the surface of the catalyst, which can enhance the formation of hydroxyl radicals. Therefore, this brief review is proposed to show the role of lanthanides in the TiO2 doping and the synthesis method applied, as well as the results discussed in the literature