Alves, M. M.

Pereira, M. A.

Universidade do Minho: RepositoriUM

Valorização de Resíduos  15Digestão anaeróbia de gorduras:problemas e soluçõesIntroduçãoOs lípidos são importantes constituin-tes da matéria orgânica dos efluentes e,embora nos efluentes domésticos exis-tam em concentrações relativamente bai-xas, entre 40 e 100 mg/L (Forster, 1992),a sua presença nos efluentes industriaisé alvo de particular atenção. Lacticínios,refinarias e matadouros são exemplos deindústrias cujos efluentes contêm gor-duras em concentrações elevadas. Deentre as várias famílias de lípidos existen-tes, os tri-ésteres de glicerol e ácidos gor-dos são os mais abundantes na nature-za. Exemplificando para esse tipo delípidos, a sua hidrólise processa-se deacordo com a seguinte reacção:Num digestor anaeróbio esta reacçãoé rápida, favorecendo a acumulação dosácidos gordos de cadeia longa (AGCL)que mantêm cerca de 95 % da cargaorgânica original. Na prática, e devido aosproblemas que introduzem nos sistemasde tratamento biológico, é usual proce-der a uma separação prévia da matériagorda por métodos físico-químicos, porexemplo, por flutuação. A composição dos AGCL varia com otamanho da cadeia de carbonos e como grau de saturação. Na Tabela 1 estãorepresentados alguns AGCL que ocor-rem na natureza.Devido à sua estrutura anfifílica, com-posta por uma cauda alifática apolar epor uma extremidade carboxílica polar,os AGCL, quando num meio aquoso,comportam-se como detergentes. ApH neutro encontram-se na forma ioni-zada, sendo frequente designá-los poressa forma, por exemplo oleato em vezde ácido oleico.As reacções da b-oxidação só sãotermodinamicamente favoráveis se apressão parcial de hidrogénio for man-tida em níveis baixos, inferiores a 10-4atm, o que é conseguido por associa-ções sintróficas com bactérias metano-génicas hidrogenotróficas ou sulfato-redutoras.Problemas associados com a degrada-ção anaeróbia das gordurasExistem dois tipos distintos de pro-blemas associados com a degradaçãoanaeróbia de gorduras: problemas físi-cos e problemas metabólicos. Os pri-meiros relacionam-se com a acumula-ção dos lípidos/ácidos gordos de cadeialonga nos agregados de biomassa, tor-nando-os leves, flutuantes e sujeitos aserem arrastados para fora do reactor.Este problema é mais agudo em pro-cessos de alta carga baseados em bio-massa granular, uma vez que os AGCLprovocam a desintegração dos grânu-los. Do ponto de vista termodinâmico,esta desintegração granular é previsí-vel porque, a pH neutro, os AGCLactuam como detergentes, baixando atensão superficial. Consequentemen-te, a agregação de bactérias hidrofóbi-cas, como são a maior parte das aceto-génicas envolvidas na b-oxidação(consumidoras de AGCL) é desfavorá-vel, aumentando a probabilidade de“washout” destas bactérias. (Daffonchioet al., 1995, Hwu., 1997). Os problemas metabólicos relacio-nam-se com a ideia aceite durante anosde que os AGCL são fortemente inibi-Madalena AlvesDepartamentode Engenharia BiológicaUniversidade do MinhoAlcina PereiraDepartamentode Engenharia BiológicaUniversidade do MinhoTabela 1. Exemplos de alguns AGCL que ocorrem na natureza(adaptado de Stryer, 1981).16 Valorização de Resíduos  dores da actividade metanogénica, sen-do mesmo bactericida para estas popu-lações bacterianas (Rinzema 1988).A aplicação de reactores anaeróbiosde alta carga do tipo manto de lamas(UASB-Upflow Anaerobic Sludge Blan-ket e EGSB-Expanded Granular SludgeBed) ao tratamento de efluentes con-tendo gorduras, foi estudada por váriosinvestigadores. Embora se tenha con-cluído que a biomassa granular é maisresistente à toxicidade dos AGCL doque a biomassa dispersa ou floculenta,é também evidente que a granulaçãoe a estabilidade granular são proble-máticas no tratamento de efluentescontendo lípidos devido aos proble-mas já referidos de desagregação e flu-tuação dos grânulos. Samson et al.(1985 b) descreveram a falha dumdigestor UASB industrial devido a pro-blemas de flutuação, durante o trata-mento do efluente de uma indústria delacticínios. Hawkes et al. (1995), com-pararam diversos tipos de digestorespara o tratamento de efluentes de umaindústria de gelados tendo concluídoque a granulação não era viável nessetipo de efluente e que o filtro anaeró-bio era a configuração de digestor maisadequada. Rinzema (1988) observouque a aplicação de um digestor UASBconvencional a efluentes contendoAGCL resultava na acumulação e sobre-carga local desses compostos a par deum elevado “washout”causado pela flu-tuação da biomassa encapsulada. Esteautor concluiu ainda que, para umefluente contendo AGCL, a configura-ção alternativa de manto de lamas comrecirculação (EGSB) podia ser aplicada,mas para efluentes contendo lípidos,tinha de ser implementado um sepa-rador tipo peneiro para impedir a saí-da da biomassa. Sam-soon et al. (1991)utilizaram um UASB no tratamento deum efluente sintético contendo olea-to como única fonte de carbono eobservaram que os grânulos inicialmen-te inoculados se desintegraram e seencapsularam por uma massa esbran-quiçada e gelatinosa. Hwu (1997) concluíu que os parâme-tros operatórios típicos do digestorUASB (velocidade superficial > 4 m/h etempo de retenção hidráulico (TRH) <10 h) diminuíam a eficiência de siste-mas de tratamento de efluentes con-tendo AGCL. Este autor concluíu aindaque a recirculação da biomassa que eraarrastada na corrente de saída, queapresentava uma elevada capacidadede biodegradação de oleato, aumen-tava a eficiência do sistema.Os trabalhos publicados até há cer-ca de dois anos sugeriam que os AGCLexerciam um efeito bactericida nas bac-térias metanogénicas não sendo evi-denciados mecanismos de adaptaçãoà toxicidade destes compostos. A recu-peração após uma fase de latência, mui-tas vezes observada em ensaios emreactor fechado era atribuída ao cres-cimento de algumas bactérias sobrevi-ventes (Rinzema 1988). Angelidaki eAhring, (1992) sugeriram que a respos-ta à adição de lípidos podia dependerdo grau de adaptação aos lípidosenquanto que a adição directa de AGCLacima de determinada concentração,resultava mais rapidamente na falha doprocesso. Segundo alguns trabalhos publica-dos há algumas décadas, o mecanismode toxicidade dos AGCL relaciona-secom a adsorção destes compostos namembrana celular, afectando as fun-publicidadeEmbora se tenha concluído quea biomassa granular é maisresistente à toxicidade dosAGCL do que a biomassa disper-sa ou floculenta, é tambémevidente que a granulação e aestabilidade granular são pro-blemáticas no tratamento deefluentes contendo lípidosdevido aos problemas já referi-dos de desagregação e flutua-ção dos grânulos.Valorização de Resíduos  17ções de transporte e de protecção dacélula (Demeyer e Henderickx, 1967,Galbraith et al., 1973). De acordo com alguns autores, deentre os dois tipos de problemas asso-ciados à degradação anaeróbia de gor-duras, os problemas físicos de adsor-ção e washout são mais graves do queos problemas de toxicidade. Soluções em perspectivaO trabalho iniciado há cerca de 6anos no Departamento de EngengariaBiológica permitiu obter novos dadossobre a acumulação e degradação deácidos gordos de cadeia longa em con-dições anaeróbias. Quando se alimen-tou continuamente um reactor de altacarga com ácido oleico como únicafonte de carbono orgânico, verificou-se que havia uma enorme acumulaçãode ácido palmitico na biomassa semque este fosse posteriormente minera-lizado nas condições operatórias pre-valecentes no reactor (Pereira et al.,2002). No entanto se se retirasse bio-massa do reactor e se incubasse numreactor fechado sem a adição de qual-quer outra fonte de carbono, ocorriauma eficiente mineralização a metano.Verificou-se assim que o consórcioanaeróbio tem uma enorme capacida-de de degradar ácidos gordos de cadeialonga quando associados à biomassapor mecanismos de adsorção, precipi-tação ou retenção no interior dos flo-cos, mas não quando dispersos ememulsões no meio líquido. Na Figura 1estão representados flocos de biomas-sa anaeróbia carregados com AGCL. Um dos mais importantes resultadosobtidos foi a demonstração de que,após a degradação dos ácidos gordosassociados à biomassa, esta recuperauma actividade metanogénica eleva-da, estando capaz de receber uma nova“carga” de ácidos gordos e de os degra-dar eficientemente (Figura 2). Observou-se assim que, ao contrá-rio do que era aceite, os AGCL podemser eficientemente mineralizados ametano, desde que se apliquem as con-dições apropriadas (Pereira et al., 2004).Este facto é de enorme relevância dadoque contraria todas as teorias estabe-lecidas sobre a toxicidade permanen-te e efeito bactericida dos ácidos gor-dos de cadeia longa, concluindo-se queexercem apenas uma inibição reversí-vel, provavelmente não mais do queum efeito físico que afecta o transpor-te de substrato entre o líquido e asuperfície das células. Os estudos básicos realizados des-de então, sustentaram o desenvolvi-mento de uma tecnologia inovadorapara a mineralização de lípidos em con-dições anaeróbias. O principal resulta-do prático desta investigação é que, doponto de vista do tratamento de efluen-tes com elevados teores de lípidos, oprocesso contínuo de alta carga não épossível e só um processo descontínuobaseado na tecnologia dos reactoresfechados sequenciais permite a mine-ralização a metano deste tipo de com-postos. Este trabalho foi premiado com oprémio Lettinga 2004. Este prémio, ini-ciado em 2001, é financiado por 3empresas internacionais de Biotecno-logia Ambiental: Paques Natural Solu-tions B.V.(http://www.paques.nl/), RoyalHaskoning (http://www.royalhasko-ning.com/) e Biothane Systems Inter-national (http://www.biothane.com/) eé atribuído através da Fundação Lettin-ga (http://www.ftns.wau.nl/lettinga-associates/). O objectivo deste prémio,no valor de 25 000 Euros, é estimular ainovação em biotecnologia ambiental,visando especificamente conceitos ino-vadores de tratamento sustentado deefluentes domésticos ou industriais,que integrem processos de digestãoanaeróbia. A inovação e aplicabilidadesão os factores chave de selecção. Nesta 2ª edição do Prémio Lettinga,foram apresentadas 30 candidaturas detodo o mundo. O Prémio foi entregueFigura 1 – observação microcópica de flocos bacterianos anaeróbios comAGCL acumulados. (a) e (c) contraste de fase (A – matéria esbranquiçada identificada como AGCL), (b) e (d) epi-fluorescência a 420 nm.Figura 2 – Resultados de ensaios de medição da actividade metanogénicaantes e após a mineralização de AGCL associados à biomassa anaeróbia.a Madalena Alves, professora auxiliar noDepartamento de Engenharia Biológi-ca da UM, no passado dia 2 de Setem-bro em Montreal, Canadá, durante o10º Congresso Mundial de DigestãoAnaeróbia.ReferênciasAngelidaki, I. e Ahring, B.K. (1992) Effects offree long-chain fatty acids on thermophilicanaerobic digestion. Appl. Microbiol. Biotech-nol., 37, 808-812.Daffonchio, D., Thaveesri, J. e Verstraete, W.(1995) Contact angle measurement and cellhydrofobicity of granular sludge from upflowanaerobic sludge bed reactors. Appl. Environ.Microbiol., 61, 3676-3680.Demeyer, D.I. e Henderickx, H.K. (1967) Theeffects of C18 unsaturated fatty acids onmethane production in vitro by mixed rumenbacteria. Biochim. Biophys Acta, 137, 484-497.Forster, C.F. (1992) Oils, fats and greases inwastewater treatment. J. Chem. Technol. Bio-technol., 55, 402-404.Galbraith, H. e Miller, T.B. (1973) Physicoche-mical effects of long chain fatty acids on bac-terial cells and their protoplasts. J. Appl. Bact.,36, 647-658.Hawkes,- F.R., Donnely, T. e Anderson, G.K.(1995) Comparative performance of anaero-bic digesters operating on ice-cream waste-water. Wat. Res., 29, 2, 525-533.Hwu, C.-S. 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(1981) Biochemistry. 2nd Ed,W.H.Freeman & Co., New York.Presidente do Conselho deAdministração:Professor Fernando CastroDepartamento de Engenharia MecânicaCampus de Azurém da Universidade do Minho4800-058 GuimarãesTelef. 253 510 224 • Fax: 253 516 007email: fcastro@dem.uminho.ptVice-Presidente do Conselho de Administração:Professor Jaime Ferreira da SilvaDepartamento de Engenharia MecânicaCampus de Azurém da Universidade do Minho4800-058 GuimarãesTelef. 253 510 229Fax: 253 516 007Secretariado:Drª Rute Araújo / Elsa LopesDepartamento de Engenharia MecânicaCampus de Azurém da Universidade do Minho4800-058 GuimarãesTelef. 253 513 064Fax: 253 516 007email: rute@dem.uminho.ptcontactospublicidade

Digestão anaeróbia de gorduras : problemas e soluções

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