Reatores de leito fluidizado eletroqumico microbiano: Ecoinovao no tratamento industrial da gua

Reatores de leito fluidizado eletroqumico microbiano: Ecoinovao no tratamento industrial da gua

O processo para implementar tecnologias eletroqumicas microbianas em escala real (TEMs) requer o estudo de novos cenrios que superam as limitaes de processos catalticos em biofilmes eletroativos. Neste contexto, os reatores de leitos fluidizados eletroqumicos microbianos so apresentados como um novo design para estimular a degradao da matria orgnica nas guas residuais. O desenvolvimento de tais configuraes permitiria que os prottipos simples fossem instalados em larga escala para avaliar novas tecnologias, como TEMs, que de outra forma estariam estagnadas em escala laboratorial.

A eletroqumica microbiana ou eletromicrobiologia emergiu como uma nova subdisciplina de biotecnologia baseada no estudo das interaes entre microorganismos e eletrodos. As propriedades catalticas desses microorganismos so muito versteis e uma variedade de campos podem se beneficiar com o desenvolvimento de tecnologias eletroqumicas microbianas (TEMs). Os dispositivos utilizados nessas tecnologias tornaram-se sistemas inovadores que refletem perfeitamente a relao gua-energia devido s suas aplicaes atraentes no tratamento de guas residuais e dessalinizao da gua. No entanto, a aplicao dos TEMs escala real depende da resoluo de desafios microbiolgicos, tecnolgicos e econmicos.

At agora, os TEMs foram entendidos como sistemas em que a catlise est localizada na superfcie do eletrodo devido necessidade de adeso microbiana formando um biofilme sobre ele. A otimizao desta interao o principal desafio desta disciplina e se concentra principalmente na melhoria do design do reator e dos eletrodos, bem como dos mecanismos de transferncia eletrnica extracelular. O estudo dos fundamentos da interao bacteria-eletrodo e o processo cataltico so essenciais para maximizar o desempenho dos sistemas bioeltroqumicos. Geobacter sulfurreducens  considerado o microorganismo modelo para se estudar a transferncia extracelular direta de eltrons para um eletrodo e, portanto, amplamente utilizado em testes de prova do conceito. Esta bactria tipicamente forma biofilmes de multicamadas nos eletrodos dos TEMs. No entanto, Geobacter, em seu habitat natural, est em estado planctnico ao respirar receptores insolveis de eltrons, como xidos de ferro. A configurao do biofilme limita-se ao desempenho deste tipo de sistema devido restrio da reao interface eletrodo-biofilme e tambm apresenta problemas associados atividade das clulas dentro do biofilme.

Desenvolvimento de um reator de leito fluidizado eletroqumico microbiano

A fim de maximizar a rea de superfcie do eletrodo disponvel para os microorganismos eletroativos e melhorar a cintica da biocatlise usando um ambiente com boas propriedades de mistura, a equipe de Bioeletrognese da Universidade de Alcal e IMDEA gua projetou um reator de leito fluidizado eletroqumico microbiano (do ingls, ME-FBR) (Tejedor-Sanz, 2017). Este prottipo surge da fuso de um reator de leito fluidizado clssico com um TEM, de modo que um nodo fluidizado 3D, composto por micropartculas eletricamente condutoras, serve como o receptor final de eltrons para microorganismos eletroativos como o Geobacter (Figura 1). O uso de um eletrodo fluidizado um avano em relao ao uso de eletrodos planos e estticos em sistemas TEM, pois ele otimiza o contato da bactria-eletrodo-meio, melhorando a transferncia de massa e calor em cada uma dessas interfaces e proporcionando uma alta rea da superfcie do nodo (aumento da rea de superfcie para a catlise microbiana).

Curiosamente, verificou-se que este eletrodo fluidizado formado por partculas em suspenso pode estimular a interao entre bactria e eletrodo no estado planctnico de ambos os elementos (Tejedor-Sanz et al, 2017). Isso supe um novo paradigma na transferncia direta de eltrons no campo dos TEMs, em que as bactrias eletrognicas de forma individual, so transitrias e diretamente conectadas com uma partcula andica em suspenso.

Aplicaes de ME-FBR

Uma das principais aplicaes do ME-FBR o tratamento da matria orgnica presente nas guas residuais da indstria agroalimentar. Entre elas, as guas residuais das fbricas de cerveja tm recebido muita ateno desde os componentes orgnicos da gua residual (principalmente acares, amido solvel, etanol e cidos graxos volteis) so geralmente facilmente biodegradveis. A digesto anaerbica tipicamente a tecnologia usada pelas cervejarias para remover a matria orgnica, enquanto os nutrientes geralmente so removidos em um tanque de aerao. Tanto a digesto anaerbia quanto os processos de eletrognese microbiana compartilham vantagens comuns: baixa produo de biomassa, baixo consumo de energia e possvel recuperao dos mesmos, como corrente ou outros vetores, tais como hidrognio ou metano. No entanto, um fator problemtico de digestores anaerbicos a baixa estabilidade do processo biolgico.

A presena de compostos inibidores em guas residuais e lodo (amnia, enxofre, metais pesados, compostos orgnicos halogenados), o lento crescimento e a alta sensibilidade dos metanognicos a diferentes agentes externos podem produzir um acmulo de cidos graxos volteis e uma queda de pH (Chen et al., 2008). Todas essas vulnerabilidades podem produzir distrbios, como uma mudana na carga, falha em todo o processo de digesto anaerbica e, portanto, o reator precisa ser interrompido. Neste contexto, os TEMs e, especificamente, os sistemas bioeltroqumicos de leito fluidizado, pretendem ser uma alternativa ou complemento aos sistemas de digesto anaerbica para degradar a matria orgnica deste tipo de efluente. Por outro lado, os TEMs oferecem a possibilidade de recuperar e reutilizar subprodutos gerados no processo, como o hidrognio produzido nos ctodos partir da hidrlise da gua.

Os TEMs mostraram que a biodegradao da matria orgnica pode ser estimulada quando microorganismos eletroativos encontram um nodo como terminal receptor eltrico. No entanto, para realizao do tratamento de guas residuais completo necessrio apoiar estes sistemas com uma tecnologia complementar para remoo de nutrientes e/ou matria em suspenso. Uma das estratgias que podem complementar os TEMs a sua integrao com um pr-tratamento de eletrocoagulao (EC) para eliminar nutrientes e matria insolvel (Figura 2). Assim, separa-se da fase de biodegradao da matria orgnica solvel a matria em suspenso que muitos tratamentos biolgicos so incapazes de eliminar. Na etapa de eletrocoagulao, a concentrao de nutrientes no efluente pode ser controlada por parmetros variveis, como a densidade de corrente aplicada ou o tempo de reao na EC. A integrao destes dois tipos de tcnicas eletroqumicas (EC e ME-FBR), resulta em uma estratgia eficaz para o tratamento completo de efluentes industriais (Tejedor Sanz, 2017).

Projeto ANSWER

Atualmente atravs do Projeto europeu ANSWER (Advanced Nutrient Solutions With Electrochemical Recovery) (LIFE15ENV/ES/000591)  do programa LIFE Environment and Resource Efficiency, est se desenvolvendo em escala piloto um sistema de tratamento de efluentes indstriais  oriundos de cervejaria, baseado na integrao da EC com um ME-FBR. Este projeto tem como parceiros a cervejaria Mahou (coordenadora), a empresa de guas FCC Aqualia, a Universidade de Alcal e a empresa de reciclagem de metal Recuperaciones Toln. O objetivo do projeto ANSWER a demonstrao da tcnica e a viabilidade econmica de um sistema de tratamento de gua residual na indstria cervejeira com recuperao de recursos. O projeto ser desenvolvido em uma das maiores fbricas de cerveja da Europa (Alovera, MAHOU), em um sistema de demonstrao que tratar gua proveniente da planta existente. Um dos aspectos mais atraentes da ANSWER o vnculo entre a eletrocoagulao-TEM com a relao entre gua-energia e o conceito de energia circular, um dos pilares centrais da estratgia econmica europeia.

Embora a eletrocoagulao seja uma tcnica conhecida h mais de um sculo, o campo da eletroqumica microbiana foi explorado por apenas alguns anos. E , pela primeira vez, no projeto ANSWER, onde essas duas tecnologias convergem, formando parceria para criar um conceito inovador no tratamento de guas residuais industriais, minimizando o consumo de energia e maximizando a recuperao de recursos.

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