DIESEL & BIODIESEL: Maior
suscetibilidade á Biodegradação
Prof. Dr. Fátima Menezes Bento UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE CIÊNCIAS BÁSICAS DA SAÚDE
DEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIA,IMUNOLOGIA E PARASITOLOGIA
São Paulo, 29 de julho de 2011.
ESTRUTURA
Diesel brasileiro (BX)
Armazenamento:Contaminação química e biológica
Causas: fatores que propiciam a contaminação
Consequências: presença de lodo biológico
Impactos da adição de biodiesel:
Biodegradabilidade
Resultados internacionais e nacionais
Prevenção:
Medidas Físicas Medidas Químicas
DIESEL & BIODIESEL: Maior suscetibilidade á
Biodegradação
Mistura complexa de hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos
Importante combustível da matriz energética
Histórico: B2 (2008); B5 (2010)
tem recebido atenção com relação ás condições de estocagem (possibilidade de deterioração)
um contaminante importante (vazamento ou acidentes)
Óleo Diesel BRASILEIRO (BX)
Introdução
Mistura complexa de hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos + complexa mistura de ésteres (origem vegetal e animal)
Importante combustível da matriz energética
Histórico: B2 (2008); B5 (2010)
tem recebido atenção com relação ás condições de estocagem (possibilidade de deterioração)
um contaminante importante (vazamento ou acidentes)
Óleo Diesel BRASILEIRO (BX)
Introdução
Armazenamento de Óleo Diesel
(áereos ou subterrâneos)
Formação de sedimentos: (problema crônico)
Origem química
Origem biológica
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Petroleum
Identificação de um tanque com contaminação microbiana
*LODO biológico: interface óleo-água
CAUSAS
Como ocorre essa contaminação?
Condições para que ocorra a formação de
sedimento biológico:
Presença de água Nutrientes
Oxigênio, temperatura e pH
População microbiana competente
Condições para que ocorra a formação de
sedimento biológico:
Presença de água Nutrientes
Oxigênio, temperatura e pH
População microbiana competente
+ Biodiesel ( mistura de ésteres- fonte de carbono mais
facilmente assimilável)
1. Presença de água: Condensada = Livre
Condensação nas
paredes do tanque
Sistemas de vedação com algum
defeito
Presença de água durante a estocagem de diesel:
Possibilidades:
• • • • •
• • • • •
• • • • •
A: Água dissolvida: água que está em solução no combustível e não pode ser
removida por métodos convencionais ou detectada por meio de equipamentos
C: Água livre: água não dissolvida no combustível, que pode estar suspensa, na
forma de gotas ou turvação, ou formando fase aquosa na parte inferior do tanque.
A
B
C
( Norma ABNT NBR 15512)
Presença de água durante a estocagem de diesel:
Possibilidades:
• • • • •
• • • • •
• • • • •
A: Dispersa como microgotícula dispersa no combustível – GOTÍCULA
B: Emulsão na interface óleo-água - EMULSIONADA
C: Água do lastro- LIVRE
A
B
C
Presença de água durante a estocagem BX:
Possibilidades: (+ Biodiesel)= ?
• • • • • • •
• • • • • • •
• • • • • • •
A: Dispersa como microgotícula dispersa no combustível – GOTÍCULA
B: Emulsão na interface óleo-água - EMULSIONADA
C: Água do lastro- LIVRE
A
B
C
2. Nutrientes
AR: poeira, microrganismos, grande quantidade de umidade
ÁGUA: condensação, limpeza dos tanques, presença de
detritos e microrganismos
COMBUSTÍVEL: transporte de contaminantes
2. Nutrientes e população microbiana
AR: poeira, microrganismos, grande quantidade de umidade
ÁGUA: condensação, limpeza dos tanques, presença de
detritos e microrganismos
COMBUSTÍVEL: transporte de contaminantes
COMBUSTÍVEL: estocagem simulada durante 450 dias
( Bento & Gaylarde, 2001)
3. Oxigênio, temperatura, pH
Interior de tanque
Temperatura –
a partir de 4°C até 60ºC
pH –
de pH 3,5 á pH 6,5
Oxigênio:
Proporção
fase oleosa-fase aquosa
4. População microbiana:
Grupos Microbianos
Fungos: filamentosos e leveduriformes
Bactérias: aeróbias e anaeróbias
4. População microbiana: Borra Biológica
Isolamento de microrganismos:
Normas ASTM D 6974-09; Normas ASTM E 1326; IPI 385
Fungos filamentosos isolados a partir da fase oleosa
Fungos filamentosos isolados a partir da fase oleosa
Bactérias e leveduras isoladas a partir da fase aquosa
Bactérias Redutoras de Sulfato (BRS):
Produção de H2S
(dentro das reservas e nos tanques)
Redução da qualidade do óleo (souring)
Problemas de corrosão
Exigências: sulfato e carbono; ausência de O2
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Petroleum
Fonte: Gaylarde et al., 1995
IMPACTOS
Quais são as consequências da
contaminação microbiana durante a
estocagem?
PROBLEMAS
DETECTADOS
PRINCIPAIS TIPOS DE
MICRORGANISMOS Bloqueio de mangueiras, válvulas,e filtros
(Biomassa)
Fungos; bactérias produtoras de polímeros
Aumento do conteúdo de água Todos
Formação de sedimento Todos
Produção de biossurfactante Fungos e bactéria aeróbias
Corrosão de tanques e tubulações Fungos e bactérias anaeróbias
Produção de sólidos suspensos Todos
Degradação dos hidrocarbonetos Fungos e bactérias aeróbias
Bloqueio de injetores Fungos e bactérias aeróbias
Aumento do conteúdo de enxofre Bactérias redutoras de sulfato (BRS)
Comprometimento do sistema de injeção Todos
Produção de biossurfactantes
Fonte: Morales, 2008
(Morales & Bento, 2008)
Fonte: Seminário INP-2011- RJ
Obstrução: Desgaste de bicos injetores
(Bento et al,1999)
Microrganismos
isolados de
combustíveis
(óleo diesel, gasolina,
querosene)
Fonte: Gaylarde & Bento, 1999
Biodegradabilidade: Diesel x Biodiesel
Biodiesel – ésteres alquílicos de ácidos graxos de cadeias longas
(C14- C22)
Diesel de petróleo - hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos
(C10H20 a C15H28, com 75% saturados e 25% aromáticos).
Vantagens:
Renovável, Compatível com diesel (misturas BX) e biodegradável;; Sem N, S ou
aromático
Desvantagens:
Alto custo de produção; elevado poder de solvência; baixa estabilidade (muitas
insaturações – fácil degradação
Estruturas químicas de alguns
compostos encontrados no
petróleo
(Connell & Miller, 1994)
Composição
do
Diesel
Degradação microbiana de alcanos.
1-n-alcanos monoxigenases.
2- álcool desidrogenase.
3- aldeído desidrogenase
(Fritsche & Hofrichter, 2000)
Degradação microbiana de aromáticos:
dioxigenases
Produção de
Biodiesel
Óleos vegetais
Gordura animal
Algas, bactérias e fungos
Composição do biodiesel: Matéria -prima
Produção de Biodiesel
(Li et al., 2008)
Especificação do biodiesel
(Lôbo et al., 2009)
Dependendo da época do ano: SOJA:SEBO
95:5 75:25 70:30
Hidrólise de um éster catalisado por lipases ou esterases (Santos, 2009)
Estrutura molecular ( tamanho e o número de insaturações) dos ésteres alquílicos
(biodiesel): SUBSTRATO.
(Bento & Gaylarde, 1996; Bento et al., 2005)
0 10 20 30 40 50 60
0
10
20
30
40
50
60
70
Peso
(m
g)
Tempo (dias)
Curva de crescimento do Aspergillus fumigatus em meio em meio mineral e 1% de óleo
diesel durante 60 dias. pH: inicial 7,0 pH final: 4,8
Biomassa produzida durante crescimento em óleo diesel/ meio mineral em 60 dias
Cromatograma da fase aquosa proveniente do crescimento do Aspergillus fumigatus
após 60 dias e incubação em meio em meio mineral e 1%
de óleo diesel.
Cromatograma da fase oleosa proveniente do crescimento do Aspergillus fumigatus após 60 dias de
incubação em meio em meio mineral e 1% de óleo diesel.
48%
37,5%
51%
Comportamento de Misturas Diesel-Biodiesel
Adição de biodiesel
ao diesel
Aumento da biodegradabilidade
de hidrocarbonetos
Disponibilidade de fonte extra
de carbono
Ação complementar metabólica
Comportamento de Misturas Diesel-Biodiesel
PERSPECTIVA INTERNACIONAL
IASH 2005- Passman (2005): Mistura de ésteres mais suscetível ao crescimento
microbiano do que o óleo diesel convencional.
Cenário ambiental: biodegradabilidade
é uma vantagem !!!!
PASSMAN, F.; DOBRANICK JK. Relative Biodegradability of B-100 Biodiesel and
Conventional Low Sulfur Diesel Fuels. In: IASH 2005: 9 th International Conference on
Stability, Handling and Use of Liquid Fuels,. Proceedings; p.18-22; 2005.
Comportamento de Misturas Diesel-Biodiesel
PERSPECTIVA INTERNACIONAL
IASH 2005- Passman (2005): Mistura de ésteres mais suscetível ao crescimento
microbiano do que o óleo diesel convencional.
Cenário ambiental: biodegradabilidade
é uma vantagem !!!!
porém durante a estocagem é um
PROBLEMA.....
PASSMAN, F.; DOBRANICK JK. Relative Biodegradability of B-100 Biodiesel and
Conventional Low Sulfur Diesel Fuels. In: IASH 2005: 9 th International Conference on
Stability, Handling and Use of Liquid Fuels,. Proceedings; p.18-22; 2005.
Comportamento de Misturas Diesel-Biodiesel
Zhang et al.(1998) (USA): biodegradação das
misturas de diesel-biodiesel é proporcional ao
conteúdo de biodiesel (ambiente aquático)
Pasqualino et al.(2006): maior o percentual de
biodiesel na mistura maior a eficiência na
biodegradação.
De Mello et al.,(2007): (USA) estudos simulando ambiente marinho com misturas de
diesel e biodiesel mostraram que a degradação dos ésteres ocorreram na mesma taxa que
os alcanos e mais rapidamente que outros hidrocarbonetos do diesel.
Prince et al., (2008) (USA) experimentos de biodegradação utilizando um consórcio
microbiano foi capaz de degradar tanto o diesel quanto o biodiesel em meio aquoso.
Sugeriram que a
presença de biodiesel
promove a ação
complementar
metabólica microbiana
na degradação dos
hidrocarbonetos
Comportamento de Misturas Diesel-Biodiesel
Owsianiak et al.(2009): Polônia: experimentos de biodegradação com consórcio em
diferentes misturas de diesel-biodiesel. Perfil observado : relação linear entre o conteúdo
de biodiesel e a produção de biomassa .
Schleicher et al.(2009): Alemanha: experimentos de biodegradação de biodiesel puro
(colza) e mistura (B5 e B20). Melhor resultado de degradação : B20 ; população
microbiana variou dependendo da composição do combustível.
Siegert (2009) Alemanha: Microbial contamination in diesel fuel- Are new problems
arising from biodiesel blends? Os estéres de ácidos graxos (FAME) produzem uma
ambiente no diesel mineral que promove o crescimento microbiano, devido a
competência natural em degradar óleos e graxas como energia. Um biocida é sugerido
para a utilização nas misturas diesel-biodiesel.
Hill & Hill., 2009. (Inglaterra) Strategies for resolving Problems Caused by Microbial
Growth in terminals and retaisl Sites Handling Biodiesel
Aumento no uso dos FAME no diesel automotivo tem sido associado com o
aumento nos problemas causados pela contaminação microbiana.
Revisão sobre os problemas encontrados em veículos a diesel, fatores
específicos envolvidos no crescimento microbiano em biodiesel. Apresentação de
estratégias quanto a prevenção, monitoramento e remediação do problema.
Horel & Schiewer 2011 (USA) Influence of constant and fluctuating temperatures on
biodegradation rates of biodiesel blends contaminanting Alaskan sand
Experimentos de biorremediação, com a simulação de areia contaminada
com diferentes misturas e temperaturas (6-20°C) mostraram que a adição de
biodiesel acelerou a mineralização em comparação com o diesel, além do esperado.
B20: a taxa de degradação (CG-MS) foi 2X mais alta que o diesel.
Adição de biodiesel poderia ajudar a reduzir o impacto de derrames de
diesel no ambiente.
PERSPECTIVA NACIONAL:
REDE BRASILEIRA DE TECNOLOGIA DE BIODIESEL:
Estudos sobre vida de prateleira de Bx e B100; aditivos multifuncionais, degradação abiótica e biótica: REDE ARMAZBIODI (MCT/FINEP)- UFRJ; UFG, UFRGS, INT
Bento, F. M. et al. 2006 Suscetibilidade do Óleo Diesel com 2 e 5% de biodiesel á contaminação
microbiana durante a estocagem.
Vieira et al., 2008 Seleção de microrganismos degradadores de biodiesel- indicadores redox
Mariano et al 2008; 2009 Degradabilidade de diesel e mistura com biodiesel
França, F. et al 2011: Degradação de biodiesel por Pseudomonas aeuruginosa e Pichia
Bucker et al., 2011 Impact of Biodiesel on Biodeterioration of Stored Brazilian Diesel Oil.
Comportamento de Misturas Diesel-Biodiesel
Crescimento de fungos e bactérias que foram isolados de
tanques de óleo diesel e borra de centrifuga de B100
Misturas avaliadas: Bucker, et al 2011 - IMPACT OF THE ADDITION OF BIODIESEL IN BRAZILIAN DIESEL OIL
ON THE GROWTH OF FUNGI DURING STORAGE, International Biodeterioration and Biodegradation
B0 (diesel) B5 B10 B20 B100
Biodiesel de sebo (bovino): B100 Cazzaroli et al., 2011 SUSCETIBILIDADE DO BIODIESEL DE
SEBO BOVINO A CONTAMINAÇÃO POR Pseudallescheria boydii , Quimica Nova (in press)
Frascos de 150mL com óleo diesel (B0) e as misturas com biodiesel (B5, B10,
B20 e B100) e meio mineral, conforme o esquema abaixo:
Interface – suspensão de 107esporos/mL de
Aspergillus fumigatus/ Paecilomyces spp.
Fase Oleosa (25mL) – Sistemas esterilizados com 0, 5,
10, 20 e 100% de biodiesel de soja no diesel.
Fase Aquosa (25mL) – Meio Mínimo Mineral 1:1.
MM1 g/L: KCl, 0,7; KH2PO4, 2,0; Na2HPO4, 3,0; NH4NO3, 1,0; Solução micronutriente 1m/L
(MgSO4, 4,0; FeSO4, 0,2; MnCl2, 0,2; CaCl2, 0,2) (Richard & Vogel, 1999)
Frascos experimentais
(150mL)
Ensaios de crescimento com Fungos
Tempo de avaliação:
0 , 7, 14, 21, 28, 45 e 60 dias.
Curva de crescimento do fungo Aspergillus fumigatus em meio mineral com B0 (diesel), e as
misturas B5, B10, B20,B100 (diesel e biodiesel) durante 60 dias.
(Bucker et al., 2011)
B100
B0
B20
B5 e B20
Curva de crescimento do fungo Paecilomyces sp. em meio mineral com B0 (diesel), e as
misturas B5, B10, B20,B100 (diesel e biodiesel) durante 60 dias.
(Bucker et al., 2011)
Curva de crescimento do fungo Pseudallescheria boydii em meio mineral e biodiesel de sebo durante
60 dias, a 28°C. (♦) KOH- Água, (■)KOH-Magnesol, (▲)NaOH -Magnesol, (♦) NaOH- Água.
Cazarolli et al., 2011 SUSCETIBILIDADE DO BIODIESEL DE SEBO BOVINO A CONTAMINAÇÃO POR
Pseudallescheria boydii , Quimica Nova (in press)
Crescimento do fungo Pseudallescheria boydii em meio mineral e biodiesel de sebo
PREVENÇÃO
Quais são as medidas possíveis de controle
da contaminação microbiana durante a
estocagem?
Medidas de Controle
Métodos Físicos: Tanques:
Drenagem periódica ( Norma ABNT NBR 15512)
Limpeza de tanques
Combustível Métodos de Filtragem
REFINO TRANSPORTE ARMAZENAMENTO
Tanques áereos ou
subterrâneos
DRENAGEM (ROTINA NA MANUTENÇÃO):
* impede o acúmulo
de água
forma estratégica
de controle
Métodos Químicos:
Utilização de biocidas: recomendado nos
Estados Unidos e Europa (diesel e biodiesel)
Preservantes:
Abordagem preventiva: tratamento
contínuo
Abordagem curativa: tratamento choque
Biocida ideal
Matar todos os microrganismos (fungos, bactérias)
Não apresentar efeitos sobre outros organismos
Não afetar o material protegido e não afetar o ambiente
Não causar alergias, irritações ou qualquer outras doenças aos humanos
Ser eficiente sob diferentes condições
Barato e estável
Biodegradável
Biocida ideal
Matar todos os microrganismos (fungos, bactérias)
Não apresentar efeitos sobre outros organismos
Não afetar o material protegido e não afetar o ambiente
Não causar alergias, irritações ou qualquer outras doenças aos humanos
Ser eficiente sob diferentes condições
Barato e estável
ADITIVO MULTIFUNCIONAL
Considerações Finais
Está sendo considerado dentro do cenário brasileiro, a participação microbiana como um dos contaminantes potenciais da cadeia.
Incentivo às Boas Práticas de Manutenção durante a estocagem.
Muito obrigada!
Equipe:
Biorremediação
Vanessa Cerqueira,Daniel Meyer,
Fabiola Shultz, Gerônimo Prado,
Tatiana Colla, Leticia Tramontini, Luisa Mercado, Angelo Prates.
Biodeterioração
Francielle Bucker, Adriane Zimmer
Juciana Cazarolli, Fernanda Marques,
Aline Oliboni, Angelica Santos, Cristiane
Barbosa, Paula da Silva, Nayara Aguiar,
Sabrina Anderson.
Agradecimentos
DIESEL & BIODIESEL: Maior
suscetibilidade á Biodegradação
Por :
Prof. Dr. Fátima Menezes Bento [email protected]
São Paulo, 29 de julho de 2011.
Biocidas aprovados
pelo EPA para uso em
combustíveis
Fonte: Passman, 2003. Fuel and Fuel system
microbiology, fundamentals, diagnosis and
contamination control. Pg:30