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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.



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



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



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



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



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



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




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



BIORREFINARIAS

A partir da biomassa


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




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



BIORREFINARIAS Bio-plásticos


poli-hidroxi-alcanoatos (poliésteres)

poli-hidroxi-butirato (PHB)

poli-hidroxi-valerato (PHV)

co-polímero PHBV

Ralstonia eutrophaAzotobacter vinelandiiAlcaligenes latus

Telles, EUA



Lipopéptido(surfactina)Bacillus subtilis

ramnolípidoPseudomonasaeruginosa

soforolípidoCandidabombicola


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)




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)




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)



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



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





biomassa granular

biorreactor de leito de lamas e fluxo ascendente (UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket)BIOPAQ® UASB,

Paques, NL





Digestores anaeróbios de lamas de ETAR

lamas de ETAR desidratadas



ar

NO2- , NO3

-N2



Biorremoção de N-orgânico por nitrificação-desnitrificação

NO2-, NO3

- + C-orgânico N2 + CO2

zona anóxica

N-orgânico NH3 NO2- NO3

-

O2O2

bactérias nitrificantes




Biorremoção de P por acumulação nabiomassa


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




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




TRATAMENTO DE EFLUENTES LÍQUIDOS EM ZONAS HÚMIDAS CONSTRUÍDAS

impermea-bilização

plantação

colocaçãodo suporte

leitodesenvolvido

Leitos de tratamento de efluentes industriais(Quimigal, Estarreja)



enchimentocom biofilme

ar

ar depurado

purga debiomassa

make-up deágua/nutrientes

ar depurado

arbiorreactor

make-up deágua/nutrientes

purga debiomassa


BIOLAVADORar

ar depurado

CO2

H2O, N, P

REMOÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS VOLÁTEISDE EFLUENTES GASOSOS

BIOFILTRO DE PERCOLAÇÃO

ar

ar depurado

H2O, N, P



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


REMOÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS VOLÁTEISDE EFLUENTES GASOSOS



COMPOSTAGEM DA FRACÇÃO ORGÂNICA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS

MATÉRIAORGÂNICABRUTA

ETVO Valorsul(São Brás, Amadora)


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)



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



sistema electrolítico Sistema manométrico

sistema com sensor de oxigénio dissolvido

MEDIDA DA CARÊNCIA BIOQUÍMICA DE OXIGÉNIO




MEDIDAS DE TOXICIDADE AGUDA COM BACTÉRIAS LUMINESCENTES


Vibrio fischeri

TesteMicrotox®

Intensidade deluz emitida

Concentraçãode poluente

100%

50%

EC50



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



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

Documents

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