Microbiologia e Bioquímica dos Processos Anaeróbios

Aluna: Tássia Dantas

1. Introdução

Processos biológicos de tratamento Reproduzem os processos naturais que ocorrem em cursos d´água após o lançamento dos despejos.

Diferença Otimização das velocidades de consumo de matéria orgânica para que as unidades de tratamento sejam compactas.

Conhecimento de microbiologia Essencial para otimização do projeto dos sistemas de tratamento Biológico.

A digestão anaeróbia pode ser considerada como um ecossistema onde diversos grupos de microrganismos trabalham interativamente na conversão da matéria orgânica complexa em metano, gás carbônico, água, gás sulfídrico e amônia, além de novas células bacterianas.

Os microrganismos que participam do processo de decomposição anaeróbia podem ser divididos em três importantes grupos de bactérias, com comportamentos fisiológicos distintos:

O primeiro grupo é composto de bactérias fermentativas que transformam por hidrólise, os polímeros em monômeros, e estes em acetato, hidrogênio, dióxido de carbono, ácidos orgânicos de cadeia curta, aminoácidos e outros produtos como glicose;

O segundo grupo é formado pelas bactérias acetogênicas produtoras de hidrogênio, o qual converte os produtos gerados pelo primeiro grupo ( aminoácidos, açucares. ácidos orgânicos e álcoois ) em acetato, hidrogênio e dióxido de carbono;

Os produtos finais do segundo grupo são os substratos essenciais para o terceiro grupo que por sua vez constitui dois diferentes grupos de bactérias metanogênicas. Um grupo usa o acetato, transformando-o em metano e dióxido de carbono , enquanto o outro produz metano, através da redução do dióxido de carbono.

2. Classificação dos Microrganismos

Células:

Procarióticas A sua principal característica é a ausência de carioteca,

não possuem núcleo definido

Eucarióticas são mais complexas que as procariontes, por possuírem membrana nuclear individualizada e vários tipos de organelas. A maioria dos animais e plantas a que estamos habituados são dotados deste tipo de células.

Os Microrganismos envolvidos no tratamento de esgoto necessitam de:

NUTRIÇÃO DOS MICRORGANISMOS

Para o crescimento e multiplicação os organismos necessitam de:

● fonte de carbono, hidrogênio e oxigênio.

● fonte de sais minerais, ferro, enxofre, fósforo, sódio e magnésio.

● fonte de energia.

Existem entre os seres vivos 2 tipos de comportamento que caracterizem as maneiras de enfrentar o problema de obtenção de alimentos, ou seja sua fonte de energia. O comportamento AUTOTRÓFICO E HETEROTRÓFICO.

AUTOTRÓFICO – são seres que sintetizam seu próprio alimento, a partir de moléculas de baixa E. desenvolve-se em meios minerais. FOTOSSÍNTESE E QUIMIOSSINTESE

HETEROTRÓFOS – seres que não conseguem sintetizar seu próprio alimento e o adquirem do meio onde se encontram. Necessitam de substancias orgânicas para o seu desenvolvimento. FERMENTAÇÃO E RESPIRAÇÃO.

NECESSIDADE DE OXIGÊNIO

De acordo com o oxigênio, os microrganismos são divididos em 4 grupos fisiológicos: ● Microrganismos Aeróbios – necessitam de oxigênio

● Microrganismos Anaeróbios – não podem crescer em presença do ar e não utilizam oxigênio para as reações de produção de energia

● Microrganismos Facultativos – são aqueles que crescem na presença do ar atmosférico e podem crescer também na ausência de oxigênio. Eles não requerem oxigênio para o crescimento, embora possam utiliza-lo para a produção de energia em reações químicas.

● Microrganismos Microaerófilos – necessitam de pequena quantidade de oxigênio (1 a 15%).

FAIXA DE TEMPERATURA

Para todos os microrganismos existem 3 temperaturas cardeais

a) Temperatura mínima – abaixo da qual não há crescimentob) Temperatura máxima – acima da qual não há crescimentoc) Temperatura ótima – onde o crescimento é máximo De acordo com essa temperatura os microrganismos podem ser classificados em 3 grandes grupos:

Psicrófilos: são organismos extremófilos capazes de viver e de se reproduzir a temperaturas baixas - (-7ºC<T<25ºC)

Mesófilos: desenvolve-se melhor em condições de temperatura moderada, nem muito quente nem muito frio – (25ºC<T<40ºC)

Termófilos: são organismos que gostam de calor - (45ºC<T<60ºC)

3. Principais Organismos Presentes em Águas Residuárias

Bactérias Organismos unicelulares

Principais responsáveis pela estabilização da m.o.

Alguns são patogênicos

Fungos Multicelulares

Maioria aeróbia

Protozoárias Unicelulares

Maioria aeróbia facultativo

São capazes de digeris material sólido

Archaea Organismos extremófilos

Responsáveis pela produção de metano

Bactérias:

Principal grupo de microrganismo na remoção de poluentes em esgotos (matéria orgânica, nutrientes, metais etc.)

Morfologia e tamanho variado;

São encontradas na maioria dos ambientes aeróbios, anaeróbios ou anóxicos;

Podem ou não serem patogênicas.

Archaea:

Dividem o mesmo ancestral das bactérias no processo de evolução, daí possuírem propriedade muito parecidas;

São predominantes em condições extrema de pH, temperatura, sal, etc.

Morfologia e tamanho variado;

Tem grande importância no processo de formação de metano

A estrutura da célula resulta da combinação de moléculas organizadas em uma ordem muito precisa.

Os componentes químicos da célula são classificados em inorgânicos (água e minerais) e orgânicos (ácidos nucléicos, carboidratos, lipídios e proteínas). Deste total, 75 a 85% corresponde a água, 2 a 3% sais inorgânicos e o restante são compostos orgânicos, que representam as moléculas da vida.

Uma grande parte das estruturas celulares contêm lipídios e moléculas grandes denominadas macromoléculas ou polímeros, formados a partir de monômeros ou unidades integradas (micromoléculas), que se prendem entre si porligações covalentes.

5. Rotas Metabólicas e Energéticas das Células

Uma célula pode ser comparada a um reator químico complexo onde ocorrem

mais de mil reações catalisadas por enzimas.

Metabolismo Engloba todas as atividades químicas organizadas que são efetuadas

por uma célula (produção e utilização da energia).

Pode ser dividido em:

ANABOLISMO: reações que visam a síntese de novo material celular (consumo de energia);

CATABOLISMO: reações que visam o ganho de energia da reação química (liberação de energia);

OBS: essas duas categorias estão ligadas uma a outra, em que as reações catabólicas fornecem energia necessárias às reações metabólicas, o que resultará em um subsequente crescimento celular.

METABOLISMO= ANABOLISMO + CATABOLISMO

5.1 Necessidades nutricionais

Nutrientes

Fornecem material necessário para síntese de material celular

Fornecem energia para as reações biossintéticas e crescimento

Servem como aceptores de elétrons em reações de oxi-redução

Elementos necessários e fontes:

Elemento FontesElemento Fontes

Carbono COCarbono CO22,açucares,proteínas,gorduras,açucares,proteínas,gorduras

Nitrogênio Proteínas, NHNitrogênio Proteínas, NH33, NO, NO33--

Enxofre Proteínas, SOEnxofre Proteínas, SO44--

Fósforo POFósforo PO44--

Ecologia Microbiana em Sistemas anaeróbios de Tratamento

Tratamento considerado econômico;

Desenvolvimento dos processos anaeróbios de alta taxa;

Variedade das células (tamanho, formas...);

Forma da biomassa;

Fatores que influenciam na formação de uma estrutura particular de células agregadas;

Sistema anaeróbios

Crescimento Disperso e Crescimento Aderido

Disperso ou Livre Crescimento da biomassa disperso no meio líquido, sem nenhuma estrutura de sustentação.

Aderido ou Fixo Biomassa cresce aderida ao meio suporte;

A sobrevivência e o crescimento dos digestores anaeróbios, depende de diversos fatores;

Capacidade adesiva;

Imobilização através da adesão, pode se dar em superfícies fixas ou móveis.

Vantagens e Desvantagens da Utilização de Biomassa Imobilizada

-Aumento do tempo de retenção celular no sistema;

-Obtenção de altas concentrações celulares;

-Menor sensibilidade do processo a materiais tóxicos inibidores;

-Torna desnecessário sistemas de separação de células e bombas de retorno;

-Facilita separação da biomassa.

-Diminuição das velocidades de reação por resistência à transferência de massa;

-Custo do suporte para imobilização;

-Entupimento frequente de leitos fixos;

-Descontrole quando se utiliza a auto-imobilização;

-Diminuição do volume útil reacional quando se utilizam suportes não porosos.

Tipos de Suporte para Imobilizar a Biomassa

Areia;

Pedra;

Matrizes gelificadas;

Cerâmicas;

Plásticos;

Carvão ativado;

Óxidos metálicos.

Métodos de Imobilização

Acoplamento covalente Força de ligação elevada;

Adsorção Ligação fraca;

Confinamento Força de ligação intermediária;

Imobilização natural A imobilização natural ocorre espontaneamente por meio de interações eletrostáticas, ela depende das condições ambientais.

Reatores Anaeróbios

Existe diversos tipos de reatores:

De mistura convencionais;

Manta de lodo;

De leito fixo e o leito expandido/fluidificado.

Grande avanço nos processos anaeróbicos → desenvolvimento de reatores capazes de reter biomassa em seu interior.

Biomassa é diferenciada nos reatores.

Formas de Imobilização do Sistema Anaeróbico

mobilização natural;

Crescimento aderido;

Crescimento confinado;

Retenção intersticial:

Imobilização nos interstícios existentes nos meios suportes;

As superfícies do material suporte ajuda na formação do biofilme, enquanto os espaços vazios são ocupados por microrganismos dispersos.

Vantagens crescimento imobilizado

Aumento da densidade populacional e conformação.

Retenção por Granulação

A formação de grânulos se da pela velocidade ascensional do liquido;

A seleção e formação dos grânulos estão relacionados a fatores físicos, químicos e biológicos;

Composição do substrato:Açúcares parecem ser de crucial importância

Meio levemente ácido tendendo a neutro

Suprimento mínimo de nutrientes

Forças de cisalhamento associadas a velocidades superficiais de líquido no reator;

Presença de bactérias filamentosas para;

Resistência dos grânulos;

Compressão gravitacional das partículas de lodo;

Velocidade superficial do biogás gerado.

Fatores Desfavoráveis a Granulação

Altos níveis de proteína;

Presença NH4+;

Sólidos suspensos

Vantagens e Desvantagem da Granulação

Os microrganismos usualmente se apresentam densamente agrupados;

A não utilização de meios suporte inertes propicia um aproveitamento máximo do volume reacional do reator;

A forma esférica dos grânulos proporciona uma relação máxima microrganismo/volume;

Os grânulos apresentam excelentes propriedades de sedimentação;

Otimização do sintrofismo entre os microrganismos.

Não há garantia de formação e manutenção da granulação do lodo anaeróbio

em todos os sistemas.

Estrutura dos Grânulos

Grânulo obtido de reator mesofílico alimentado com sacarose (Guiot, 1991):

Estrutura → Tripla camada

Camada central: cavidade envolvida por bactérias de mesmo tamanho e forma da espécie Methanotrix.

Camada média: Bactérias na forma de bastonetes (Methanobrevbacter) justapostas a organismos semelhantes a Syntrophobacter.

Camada externa: Grande variedade de microorganismos, incluindo morfotipos acidogênicos, organismos semelhantes a Methanoccales e filamentos semelhantes a Methanospirrillum.

Estrutura geral

Camada externa curta camada acidogênica e presença de metanogênicas hidrogenotróficas, redutoras de sulfato;

Camada média Acetogênicas e metanogênicas hidrogenotróficas;

Camada interna Metanogênicas acetocláticas.

IMPORTANTE: Nem sempre esta estrutura compartimentada é observada em grânulos obtidos de reatores anaeróbios.

Crescimento Confinado

Confinado em géis pouca aplicação prática;

Dificuldades:Baixa resistência mecânica;

Manutenção do gel;

Baixa densidade do gel.