Remoção de fósforo pela cianobactéria aphanothece microscopia nageli em cultivos heterotróficos

Nesta dissertação foi demostrada a potencialidade da cianobactéria Aphanothece microscopica Nägeli em cultivo heterotrófico para remover fósforo do efluente de laticínio, bem como o efeito da temperatura no bioprocesso. Para tanto o trabalho é composto por dois artigos. O primeiro intitula-se “Influência da temperatura na remoção de fósforo por Aphanothece microscopica Nägeli em biorreatores heterotróficos”, e teve por objetivo avaliar a eficiência da cianobactéria em remover heterotroficamente fósforo total dissolvido do efluente de processamento de laticínios. A análise dos resultados mostrou que a remoção de fósforo é independente de sua concentração no sistema, porém depende fortemente da temperatura. Ficou demostrado, que a remoção é altamente sensível a temperatura principalmente no intervalo de 10ºC – 20ºC e nessas condições a operacionalidade do biorreator deverá ser ajustada para manutenção da eficiência do processo. O segundo artigo tem como título “Dinâmica de remoção de fósforo por Aphanothece microscopica Nägeli em biorreatores heterotróficos” e avaliou a remoção das formas de fósforo reativo, fósforo hidrolisável, fósforo total e fósforo orgânico, total e dissolvida, bem como de DQO e NNTK nas temperaturas de 10ºC, 20ºC e 30ºC em 24 h, a fim de investigar a dinâmica de remoção de diferentes formas de fósforo do efluente de laticínio em biorreatores heterotróficos. Foi possível concluir que a fração de fósforo predominante no efluente de laticínio foi a orgânica dissolvida, seguida de fósforo reativo dissolvido. A cianobactéria foi capaz de remover formas simples de fósforo, como reativo e complexas, fósforo hidrolisável e orgânico, bem como DQO e N-NTK. No que se refere ao fósforo suspenso, foi verificado que as frações de fósforo orgânico suspenso e fósforo suspenso total apresentaram baixa remoção. Foi observado que no intervalo de 20ºC a 30ºC foi registrado o maior desempenho quanto à remoção de fósforo para um tempo de detenção hidráulica de 16 h. Nos experimentos realizados à temperatura de 20ºC foram registrados os melhores valores cinéticos resultando em uma máxima concentração celular de 0,84 g.L-1, velocidade máxima de crescimento de 8,64 dias-1 e produtividade de 3,85 g.L-1. dia-1. Assim, a análise dos resultados permite concluir que a remoção de fósforo, DQO e N-NTK em condições heterotróficas por Aphanothece microscopica Nägeli é rota em potencial para o tratamento de efluente de laticínio.

Purificação, modelagem e simulação da adsorção de bioprodutos por troca iônica em coluna de leito expandido

A produção de proteínas através de microrganismos tornou-se uma técnica muito importante na obtenção de compostos de interesse da indústria farmacêutica e alimentícia. Extratos brutos nos quais as proteínas são obtidas são geralmente complexos, contendo sólidos e células em suspensão. Usualmente, para uso industrial destes compostos, é necessário obtê-los puros, para garantir a sua atuação sem interferência. Um método que vem recebendo destaque especialmente nos últimos 10 anos é o uso da cromatografia de troca iônica em leito expandido, que combina em uma única etapa os passos de clarificação, concentração e purificação da molécula alvo, reduzindo assim o tempo de operação e também os custos com equipamentos para realização de cada etapa em separado. Combinado a este fato, a última década também é marcada por trabalhos que tratam da modelagem matemática do processo de adsorção de proteínas em resinas. Está técnica, além de fornecer informações importantes sobre o processo de adsorção, também é de grande valia na otimização da etapa de adsorção, uma vez que permite que simulações sejam feitas, sem a necessidade de gasto de tempo e material com experimentos em bancada, especialmente se é desejado uma ampliação de escala. Dessa forma, o objetivo desta tese foi realizar a modelagem e simulação do processo de adsorção de bioprodutos em um caldo bruto na presença de células, usando inulinase e C-ficocianina como objeto de estudo e purificar C-ficocianina utilizando resina de troca iônica em leito expandido. A presente tese foi então dividida em quatro artigos. O primeiro artigo teve como objeto de estudo a enzima inulinase, e a otimização da etapa de adsorção desta enzima em resina de troca iônica Streamline SP, em leito expandido, foi feita através da modelagem matemática e simulação das curvas de ruptura em três diferentes graus de expansão (GE). As máximas eficiências foram observadas quando utilizadas maiores concentrações de inulinase (120 a 170 U/mL), e altura de leito entre 20 e 30 cm. O grau de expansão de 3,0 vezes foi considerado o melhor, uma vez que a produtividade foi consideravelmente superior. O segundo artigo apresenta o estudo das condições de adsorção de C-ficocianina em resina de troca iônica, onde foi verificado o efeito do pH e temperatura na adsorção e após construída a isoterma de adsorção. A isoterma de adsorção da C-ficocianina em resina Streamline Q XL feita em pH 7,5 e a 25°C (ambiente), apresentou um bom ajuste ao modelo de Langmuir (R=0,98) e os valores qm (capacidade máxima de adsorção) e Kd (constante de equilíbrio) estimados pela equação linearizada da isoterma, foram de 26,7 mg/mL e 0,067mg/mL. O terceiro artigo aborda a modelagem do processo de adsorção de extrato não clarificado de C-ficocianina em resina de troca iônica Streamline Q XL em coluna de leito expandido. Três curvas de ruptura foram feitas em diferentes graus de expansão (2,0, 2,5 e 3,0). A condição de adsorção de extrato bruto não clarificado de C-ficocianina que se mostrou mais vantajosa, por apresentar maior capacidade de adsorção, é quando se alimenta o extrato até atingir 10% de saturação da resina, em grau de expansão 2,0, com uma altura inicial de leito de 30 cm. O último artigo originado nesta tese foi sobre a purificação de C-ficocianina através da cromatografia de troca iônica em leito expandido. Uma vez que a adsorção já havia sido estudada no artigo 2, o artigo 4 enfoca na otimização das condições de eluição, visando obter um produto com máxima pureza e recuperação. A pureza é dada pela razão entre a absorbância a 620 nm pela absorbância a 280 nm, e dizse que quando C-ficocianina apresenta pureza superior a 0,7 ela pode ser usada em como corante em alimentos. A avaliação das curvas de contorno indicou que a faixa de trabalho deve ser em pH ao redor de 6,5 e volumes de eluição próximos a 150 mL. Tais condições combinadas a uma etapa de pré-eluição com 0,1M de NaCl, permitiu obter C-ficocianina com pureza de 2,9, concentração 3 mg/mL, e recuperação ao redor de 70%.

Quitosana imobilizada em suporte inerte para a adsorção de corantes alimentícios em coluna de leito fixo

O uso de corantes sintéticos na indústria de alimentos tem provocado transtornos à saúde humana e ao meio ambiente. A quitosana pode ser imobilizada em matrizes sólidas e aplicada na remoção de corantes em coluna de leito fixo. A análise da dinâmica de uma coluna de leito fixo é baseada na curva de ruptura, esta é dependente da geometria da coluna, das condições operacionais e dos dados de equilíbrio. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi estudar o recobrimento de esferas de vidro por quitosana e sua aplicação como adsorvente de corantes em coluna de leito fixo. No estudo do recobrimento avaliaram-se os efeitos da concentração de quitosana e dos métodos de cura. As esferas recobertas foram aplicadas em ensaios de adsorção estático e dinâmico. Inicialmente, avaliou-se o equilíbrio de adsorção através da construção de isotermas e ajuste de modelos, e após, avaliaram-se os efeitos do tipo de cura e do grau de desacetilação da quitosana. Em seguida, foram analisados os efeitos do tipo de corante e do pH, e o comportamento cinético da adsorção pela construção de curvas de ruptura e ajuste de modelos dinâmicos. A influência da altura do leito e da concentração inicial de corante sobre os parâmetros da adsorção em leito fixo foram analisados através da metodologia de superfície de resposta (MSR). Ao final, estudou-se a regeneração da coluna. Os resultados mostraram que os maiores percentuais de recobrimento foram obtidos pelos métodos físico e físico/químico, na concentração de quitosana de 0,5% (m/v). Nestas condições o percentual de recobrimento foi de 46%. Nas imagens da superfície das esferas (MEV) observou-se que as mesmas foram recobertas de forma homogênea pela quitosana. As isotermas de equilíbrio obtidas foram classificadas como do tipo V, sendo o modelo de Sips o mais adequado para representar os dados experimentais. As capacidades máximas de adsorção foram 337 mg g-1, 286 mg g-1 e 200 mg g-1 para os corantes amarelo tartrazina, amarelo crepúsculo e vermelho 40, respectivamente. A aplicação das esferas recobertas com quitosana em leito fixo mostrou-se mais adequada utilizando o método de cura físico/químico e quitosana com grau de desacetilação de 85%. A máxima capacidade de adsorção da coluna em função do corante e do pH variou de 13 a 108 mg g–1. Os modelos BDST (bed–depth–service–time), Thomas e Yoon–Nelson foram adequados para representar os dados experimentais. De acordo com a MSR, o melhor desempenho do leito foi com altura de 30 cm e concentração inicial de corante de 50 mg L-1. Nestas condições, obteve-se tempo de ruptura de 88 min, máxima capacidade da coluna de 108 mg g-1 e remoção de 86 %. Na regeneração da coluna observou-se que cerca de 75% da capacidade máxima da coluna foi mantida após cinco ciclos de adsorção–eluição. Diante do exposto, a coluna de leito fixo empacotada com esferas recobertas com quitosana mostrou-se promissora na remoção de corantes de soluções aquosas.

Utilização de quitosana obtida de resíduos de camarão para avaliar a capacidade de adsorção de íons Fe3+

A quitosana é produzida através de uma desacetilação alcalina da quitina, a qual é encontrada em exoesqueleto de crustáceos, parede celular de fungos e materiais biológicos. Calcula-se que os resíduos de camarão apresentam de 5 a 7% do seu peso total na forma de quitina, sugerindo que estes sejam utilizados para obtenção do biopolímero. Os processos para obtenção destes biopolímeros consiste nas seguintes etapas: desmineralização, desproteinização e desodorização, obtendo-se assim, a quitina úmida. Após seca, passa por uma desacetilação química para a conversão em quitosana úmida, sendo purificada e posteriormente seca. A quitosana, por apresentar grupamentos amino livres em sua estrutura, é uma molécula capaz de formar complexos estáveis com cátions metálicos. O objetivo geral deste trabalho foi obter quitina a partir de resíduos de camarão (Penaeus brasiliensis) com posterior produção de quitosana, e avaliar sua capacidade de complexação com íons Fe3+, em solução. A quitosana produzida foi caracterizada através do grau de desacetiliação e da massa molecular viscosimétrica, Para caracterização estrutural das amostras de quitosana, utilizaram-se espectrometria de infravermelho e espectrofotometria UV-Visível, bem como para o complexo formado de quitosana e ferro. Para analisar a eficiência da remoção deste íon, foram feitas análises em espectrometria de absorção atômica em chama e em espectrofotometria UV-Visível. Uma análise estatística foi realizada para avaliar a percentagem de remoção do íon ferro das soluções, sendo utilizado um planejamento fatorial em dois níveis, tendo como variáveis independentes o pH do meio, a quantidade de quitosana adicionada, a granulometria da mesma e o tempo de reação. A quitosana apresentou grau de desacetilação de 87±2% e massa molecular viscosimétrica de 196±4kDa, sendo esses valores, comparáveis à quitosana disponível comercialmente. Na melhor região de trabalho definida pela análise estatística, obteve-se uma remoção máxima de 85 % do íon ferro das soluções.

Avaliação da hidrólise alcalina da quitina e elaboração de filmes de quitosana para aplicação na adsorção do corante têxtil reativo preto 5

Nesta pesquisa, diferentes amostras de quitosana foram produzidas por diferentes condições de hidrólise alcalina da quitina. A partir das amostras de quitosana foram produzidos filmes,sendo estes aplicados na adsorção do corante têxtil reativo preto 5 e os resultados foram comparados com os dos seus respectivos pós. Os valores das massas molares da quitosana aumentaram em função do aumento do diâmetro da quitina e diminuíram com o aumento da relação de solução NaOH:quitina, da concentração de NaOH e tempo de reação, e ficaram na faixa de 100 a 200 kDa. Um comportamento inverso foi observado para o grau de desacetilação da quitosana, e seus valores variaram de 65 a 95%. Quanto aos filmes biopoliméricos elaborados, os que apresentaram melhores valores quanto as suas propriedades mecânicas e de permeabilidade ao vapor de água foram os filmes produzidos com quitosana de mais elevada massa molar e menor grau de desacetilação. A fim de avaliar o comportamento dos filmes em processos de adsorção, estes foram aplicados na remoção do corante reativo preto 5 (RB5) em diferentes condições de pH (4, 6 e 8). Após, foram escolhidos quatro filmes de quitosana (FQ), com diferentes graus de desacetilação e massas molares, que foram comparados com as quitosanas na forma de pó (PQ) no estudo de adsorção. Este foi realizado sob diversas condições experimentais (pH, temperatura e taxa de agitação) através das isotermas de equilíbrio, da termodinâmica e da cinética. Análises de interação e ciclos de adsorção-dessorção também foram realizados. Verificou-se que PQ e FQ com grau de desacetilação de 95% e massa molar de 100 kDa foram os adsorvente mais adequados, apresentando mais de 99% de remoção do corante RB5 em pH 4,0. Para ambos, PQ e FQ, o modelo de Langmuir foi o mais adequado para representar os dados de equilíbrio. As capacidades máximas de adsorção foram 654,3 e 589,5 mg g-1 para PQ e FQ, respectivamente, obtidos a 298 K. O processo de adsorção foi espontâneo, favorável e exotérmico. A adsorção de RB5 para PQ e FQ seguiu o modelo cinético de Elovich,e ocorreram interações eletrostáticas do PQ-RB5 e do FQ-RB5. Os filmes de quitosana foram reutilizados três vezes, enquanto que a quitosana em pó não pode ser reutilizada.

Adsorção de cromo (VI) em leito fixo utilizando partículas de areia recobertas com Quitosana

Neste trabalho foi avaliado o processo de recobrimento de partículas de areia com quitosana utilizando a técnica dip-coating, e analisado o emprego destas partículas como recheio de uma coluna de leito fixo no processo de adsorção de cromo (VI) em solução aquosa. A quitosana foi obtida a partir de resíduos de camarão e caracterizada. O estudo avaliou a influência do tamanho das partículas e da concentração da solução de quitosana no recobrimento das partículas de areia. Foram avaliados parâmetros termodinâmicos, isotermas de equilíbrio e parâmetros relacionados ao funcionamento do leito (vazão e pH da solução, diâmetro de partícula) para o processo de adsorção de cromo (VI) em solução aquosa. No recobrimento das partículas de areia, o tamanho não teve significância na resposta, enquanto a concentração da solução de recobrimento mostrou ter grande influência sobre o resultado, sendo que a menor concentração de quitosana dentro da faixa estudada (0,5% p/v) apresentou o melhor desempenho. O processo de cura física para o recobrimento das partículas de areia mostrou melhor desempenho para a adsorção de cromo (VI) em leito fixo frente ao processo físico-químico. As análises de superfície (MEV) e de difração de raio-X (EDX) comprovaram a mudança na superfície das partículas recobertas e a presença de cromo após a adsorção. O modelo de Sips foi o que melhor representou os dados experimentais de equilíbrio, com R2 >0,99% e EMR<3,5%, sendo que a capacidade máxima de adsorção foi de 46,93 mg g-1 obtida a 298 K. O processo se mostrou espontâneo, exotérmico e favorável, com valores de -4,49 a -4,66kJ mol-1 para e energia livre de Gibbs, -5,97kJ mol-1 para a variação de entalpia e -5,17x10-3 kJ mol-1K -1 para variação de entropia. O aumento do pH diminuiu a adsorção de cromo (VI), sendo que a melhor resposta foi obtida em pH 3, sendo que o diâmetro de partícula não teve efeito significante. O estudo da vazão da solução de cromo (VI) no desempenho do leito mostrou que no menor valor (2,5 mL min-1 ) a concentração de saída do leito foi próxima a zero, mantendo-se com concentrações de saída abaixo de 20% por pelo menos 20 min. O estudo da dessorção do leito mostrou que após cinco ciclos de trabalho o leito manteve 86% da capacidade de adsorção, com taxas de recuperação do cromo no processo de dessorção maiores que 95%.

Dinâmica do fósforo em cultivo heterotrófico e produção de compostos celulares por cianobactéria integrado a biorrefinarias agroindustriais

O objetivo desta tese foi avaliar a dinâmica do fósforo em cultivo heterotrófico e produção de compostos celulares por Aphanothece microscopica Nägeli visando avaliar a perspectiva de implementação de uma biorrefinaria microalgal. Desta forma, foi avaliado o comportamento do micro-organismo em estudo no cultivo heterotrófico, utilizando como meio de cultivo o efluente de laticínios. O trabalho foi desenvolvido em 3 etapas. Em um primeiro momento foi avaliada a influência da temperatura (20 e 30°C) e os valores máximos e mínimos de nutrientes, em especial do fósforo dissolvido reativo (PDR), disponíveis no efluente de laticínio, na remoção de nutrientes. Os resultados demonstraram que a concentração inicial de fósforo dissolvido e a temperatura exerceram influência no crescimento celular e na eficiência de remoção de nutrientes. Em termos de otimização de processo os cultivos conduzidos a 20°C e maiores concentrações de PDR (5,5 mg.L-1 ) no efluente de laticínio, foram os mais eficientes na conversão de poluentes em biomassa e remoção de nutrientes. A segunda etapa foi desenvolvida com o objetivo de avaliar a dinâmica de distribuição de fósforo na fase líquida e sólida do reator heterotrófico, quando o efluente de laticínio foi tratado pela Aphanothece microscopica Nägeli, a 20°C e nas máximas concentrações de fósforo dissolvido encontradas no efluente. Foi demonstrado que as formas fosforadas na fase líquida do reator se caracterizam pela predominância da fração dissolvida em comparação à particulada e por apresentar como fração predominante a de fósforo orgânico. No que se refere à fase sólida, ficou demonstrado que a Aphanothece microscopica Nägeli, quando cultivada heterotroficamente apresenta 3,8 vezes mais fósforo que o requerido para o crescimento celular. Ficando demonstrado ainda que a remoção biológica de fósforo por Aphanothece microscopica Nägeli pode resultar em substanciais aportes financeiros para as estações de tratamento de efluentes. Uma terceira etapa foi desenvolvida, a qual teve como objetivo avaliar a estimativa de produção de compostos celulares por Aphanothece microscopica Nägeli, a partir do efluente de laticínio, bem como o efeito da redução de temperatura de cultivo no teor de lipídios , no momento em que é obtida a máxima concentração deste componente celular, nas condições otimizadas.Foi obtido na fase logarítmica de crescimento, concentrações de 41,8 % de proteinas, carboidratos 28,5 %, lipídios 10,4 % e minerais 10,8 %. O maior teor de lipídio registrado a 20°C correspondeu a biomassa analisada na fase logarítmica.Com a redução da temperatura para 5°C por um período de 30 h é possível obter concentrações de lipídios 2,4 vezes superior ao registrado na fase logarítmica a 20 °C. No entanto, não foram indicadas diferenças significativas (p≤0,05) em função da temperatura entre as concentrações de lipídios obtidas para a biomassa a 10°C em 40 h. O perfil de ácidos graxos da biomassa gerada a 20°C, apresentou como ácidos graxos majoritários, os ácidos graxos: palmítico, oléico, γ-linolênico, palmitoleico e esteárico, resultando um aumento na concentração de ácidos graxos saturados as espensa dos insaturados, quando a temperatura é reduzida. Em paralelo,um reator heterotrófico descontinuo foi definido, ficando demonstrado que a extrapolação da operação em batelada para contínua requer um biorreator heterotrófico com volume útil de trabalho de 240,51 m 3 , permitindo tratar 950 m3 diários de efluente, gerando 11,8 kg.d-1 de biomassa útil para produção de compostos celulares por Aphanothece microscopica Nägeli, visando à simultânea remoção de matéria orgânica, nitrogênio total e fósforo total, gerando insumos que podem suportar a implementação de uma biorrefinaria microalgal.