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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA VITOR JORDÃO MACUL Biocorrosão de Materiais Lorena, 2013

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA

VITOR JORDÃO MACUL

Biocorrosão de Materiais

Lorena, 2013

VITOR JORDÃO MACUL

Biocorrosão de Materiais

Monografia apresentada como requisito

parcial para a conclusão de Graduação

do Curso de Engenharia Bioquímica.

Orientadora: Profa. Dra. Maria

Bernadete de Medeiros

Lorena, 2013

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE

TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA

FINS DE ESTUDO DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO Serviço de Biblioteca Escola de Engenharia de Lorena

Macul, Vitor Jordão

Biocorrosão de Materiais. / Vitor Jordão Macul; Orientadora Maria

Bernadete de Medeiros —Lorena, 2013.

40p.

Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão do

Curso de Graduação de Engenharia Bioquímica - Escola de Engenharia de

Lorena da Universidade de São Paulo.

1. Biocorrosão. 2. Biofilme. 3. Corrosão. I. Medeiros, Maria

Bernadete de Medeiros, Orient.

Dedicatórias

À minha orientadora Profa. Maria Bernadete de Medeiros por me orientar e me ajudar

sempre quando precisei.

À minha família por todo o suporte durante os anos da minha graduação.

À minha namorada por toda a compreensão e ajuda direta e indireta para a minha formação.

Aos meus amigos pelo suporte durante esses anos.

Aos meus companheiros de república por toda força dada para a conclusão desde trabalho

de conclusão de curso.

MACUL, Vitor Jordão - Biocorrosão de Materiais. 2013. 40p. Monografia (Trabalho de

Conclusão de Curso de Graduação em Engenharia Bioquímica) – Escola de Engenharia de

Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2013.

RESUMO

Os casos de biocorrosão têm aumentado muito nesses últimos 20 anos. O estudo e pesquisa

desse assunto têm crescido muito. Hoje é possível entender melhor todos os mecanismos

envolvidos nos sistemas de biocorrosão assim como, todos os microrganismos participantes.

Nesse trabalho é realizada uma analise dos principais microrganismos associados à

biocorrosão, como as bactérias do gênero Thiobacillus e as bactérias redutoras de sulfatos,

assim como os principais fungos e algas. É colocado um breve resumo sobre a formação do

biofilme. São colocados e descritos os principais casos de biocorrosão dos sistemas. Como a

corrosão microbiológica do ferro por bactérias redutoras de sulfato e oxidantes do ferro. A

biocorrosão do alumínio e suas ligas, dando um enfoque especial ao sistema

água/combustível e, também os diversos casos de biocorrosão em meio marinho. Além da

biocorrosão de metais é realizada uma analise da biodeterioração de materiais não

metálicos. São estudados os casos envolvendo pedra, concreto de construção e matérias

plásticos e borrachas. Para finalizar o trabalho foi colocado uma revisão dos diversos

métodos de detecção e monitoramento da biocorrosão. Com o entendimento de todos os

mecanismos de biocorrosão é possível determinar algumas técnicas para a prevenção e seu

controle.

Palavras chaves: biocorrosão, biofilme, corrosão.

ABSTRACT

The attention to the biocorrosion has increased a lot in this last 20 years. The study and

research about this subject has increased too, today is possible understand all the

mechanism involved in the process as well all the microorganism responsible for the

biocorrosio. In this these a review of the entire microorganism associated to the biocorrosion

is made, like the bacteria of the genus Thiobacillus and the sulfate-reducing bacteria, and all

the fungi and algae There is brief about the formation of the biofouling. In this dissertation all

the biocorrosion mechanism are describe, like the biocorrosion of the iron caused by the

sulfate-reduging bacteria, biocorrosion of the steel, biocorrosion of the aluminum and its

alloys, and many other cases that happen in metals inside the ocean. Also there is corrosion

in non-metallic materials, there are a few examples like rubber, stone and concrete. In the

end of the dissertation there are methods to prevent and monitor the biocorrosion.

Understanding the biocorrosion it is possible to determine prevention techniques and

control. With all the subjects cited is made conclusion of the work.

Keywords: biocorrosion, biofouling, corrosion

LISTA DE IMAGENS

Imagem 1 – Formação do biofilme

Imagem 2 – Reações da Teoria de Despolarização Catódica

Imagem 3 – Formação de pites pelas BRS

Imagem 4 – Produtos intermediários e finais do metabolismo das BRS

Imagem 5 – Morfologia dos tubérculos

Imagem 6 – Formação química do tubérculo

Imagem 7 – Processos biológicos de formação do tubérculo

Imagem 8 – Sequencia do ataque à liga de alumínio em meio contento combustível

Imagem 9 – Dip slide

Imagem 10 – Escala de quantificação de bactérias com o uso de dip slides

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Aspectos dos depósitos microbiológicos

Tabela 2 – Demonstrativo para procedimentos de retirada de amostra

Tabela 3 – Modelos de sistema de amostragem

Tabela 4 – Principais biocidas e suas propriedades químicas.

SUMÁRIO

Introdução..............................................................................................................10

1 Incidência prática e aspecto econômico..................................................................11

2 Microrganismos associados à bicororrosão.............................................................12

2.1 Bactérias.....................................................................................................12

2.2 Algas...........................................................................................................14

2.3 Fungos........................................................................................................15

3 Formação do biofilme.............................................................................................16

4 Corrosão do ferro e suas ligas.................................................................................17

4.1 Biocorrosão por bactérias redutoras de sulfato...........................................17

4.2 Biocorrosão por bactérias oxidantes de ferro..............................................20

5 Biocorrosão do alumínio.........................................................................................23

6 Biocorrosão em ambiente marinho........................................................................26

7 Biodeterioração de materiais não metálicos...........................................................28

8 Detecção e Monitoramento....................................................................................30

9 Prevenção e controle da biocorrosão......................................................................35

10 Conclusão......................................................................................................... ......38

Referências.............................................................................................................40

10

Introdução

A palavra biocorrosão é utilizada para expressar a participação de diferentes tipos

microrganismos nos fenômenos de corrosão.

A natureza eletroquímica da corrosão continua valida quando se trata de uma

biocorrosão, os microrganismos atuam de forma ativa sem alterar as características da

reação eletroquímica (VIDELA, 1981). Ou seja, temos presente um processo anódico de

dissolução metálica e um processo catódico, complementar.

O papel do microrganismo na corrosão é de modificar as condições da interfase

metal/solução, desse modo acelerando, intensificando ou até inibindo o processo de

corrosão. A participação dos microrganismos pode ser exemplificada de duas maneiras:

Produzindo substâncias agressivas ao meio, como ácidos e sulfetos. Essas substâncias

são originadas através do seu metabolismo.

Criando zonas de aeração diferencial, criando regiões anaeróbicas na superfície do

metal, assim deixando desigual o consumo de oxigênio em zonas localizadas.

Para entender e compreender melhor o processo de biocorrosão é de extrema

importância estudar e conhecer as características fisiológicas e anatômicas dos

microrganismos, como a sua velocidade de reprodução, a alta relação superfície/volume, alta

atividade e flexibilidade metabólica e a distribuição uniforme no ambiente.

11

1 Incidência prática e aspecto econômico

Segundo uma pesquisa realizada pela Batelle Foundation e Specialty Steel Industry of

North America, estima-se que, nos Estados Unidos, o prejuízo causado por corrosão metálica

chega próximo a 300 bilhões de dólares por ano. (GENTIL, 2007)

Entretanto os danos causados pela biocorrosão são difíceis de avaliar. Principalmente

em razão da grande variedade de casos que são identificados. Existe o modelo no qual, o

microrganismo é a causa indireta do processo de corrosão. Sendo o microrganismo

responsável por criar um meio agressivo ao metal, e outras vezes criando zonas de aeração

diferencial. (VIDELA, 2003)

Porém na década de 70, britânicos estimaram que 20% do total da corrosão era

causada ou induzida por microrganismos, sendo em algum setores esse percentual maior,

como é caso de tubulações enterradas, chegando a um total de 50% dos casos. Com base

nesses dados, segundo Videla (2003) nas ultimas duas décadas começou a se dar devida

importância aos casos de biocorrosão.

Devido ao grande custo gerado pelo processo de corrosão para as indústrias, áreas da

ciência antes consideradas distantes como a microbiologia, a eletroquímica e a ciência dos

materiais, foram unificadas. O objetivo da unificação foi estudar e entender melhor a

biocorrosão, com o propósito de identificar e erradicar as reações dos processos de corrosão.

Devido a necessidade de se reduzir gastos e ao grande avanço na área de extração de

petróleo off-shore motivou diversas publicações e conferências especializadas.

Além da indústria petroquímica outras áreas de produção convivem com o processo de

biocorrosão. Com destaque a indústria naval, os gasodutos de transporte de gás natural, usinas

termoelétricas, refinarias do bioetanol e, em especial as indústrias químicas.

12

2 Microrganismos associados à biocorrosão

No século XVIII, Carolus Linnaeus dividiu todos os organimos vivos em dois grandes

reinos, Plantae e Animalia. Ao classificar os microrganismos colocou os protozoários no reino

animal e os nãos classificados, no reino Plantae. Porém essa divisão apresentou falhas para

os microrganismos. A classificação não apresentavam semelhanças aos reinos ou até grande

diferença. Portanto, em 1866 Haeckel propôs um terceiro reino, o Protista, sendo possível

classificar os microrganismos em um só reino ().

O reino protista foi então divido em dois grandes grupos os eucariontes e procarionte,

sua principal diferença a é a presença de um núcleo separado do citoplasma por uma

membrana nuclear nos eucariotos. Sendo as bactérias e as algas azul-verdes pertencentes ao

grupo procarionte e as outras células, incluindo algas, fungos e protozoários pertencentes ao

grupo eucarionte.

Em 1969 Whittaker propôs classificar os organismos com base na alimentação. São

os que realizam a fotossíntese, absorção ou a ingestão dos alimentos. Portanto foram criados

cinco reinos Monera, Protista, Plantae, Animalia e Fungi. Assim os microrganismos foram

colocados em três reinos: Monera (bactérias), Protista (protozoários e algas microscópicas) e

Fungi (os fungos microscópios: leveduras e bolores).

2.1 Bactérias

Entre as principais bactérias causadoras da biocorrosão podemos citas as bactérias

presentes no ciclo do enxofre como as do gênero Thiobacillus, e as bactérias oxidantes de

ferro, como as dos gêneros Gallionella e Siderophacus.

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As bactérias oxidantes de enxofre, são microrganismos aeróbicos, se locomovem

através de um único flagelo polar, não formam esporos e se apresentam normalmente como

células isoladas. Embora tenha sua temperatura ótima de crescimento seja entre 20oC e

30oC, existem variedades termófilas que crescem a temperaturas superiores a 55oC.

Entre as principais espécies podemos citar a Thiobacillus concretivorus, que oxida o

sulfossulfato por meio de tetrassulfonato como intermediário e também oxida o sulfeto e o

enxofre. A Thiobacillus thioxidans, produz o ácido sulfúrico criando sistema com meio muito

ácidos com pH 0,6. Com consequência gera condições muito agressivas, não somente para os

metais, como também para pedras e concreto armado de construção.

Outras bactérias do ciclo do enxofre são as bactérias redutoras de sulfatos (BRS),

pertencentes aos gêneros Desulfovibrioe e Desulfotomaculum. Essas bactérias apresentam

flagelo polar, uma morfologia de bacilos curvos, às vezes espiralados e com diâmetro entre

0,5 e 1,0 µm e comprimento de 3,0 a 5,0 µm, respectivamente. São anaeróbicos restritos, por

essa razão geralmente estão associadas as bactérias aeróbicas, que consomem todo o

oxigênio do sistema proporcionando uma condição de anaerobiose. A temperatura ótima

para o seu desenvolvimento é de 25oC e 44oC e, pH na faixa de 5,5 a 9,0.

Dentro do gênero Desulfotomaculum existem algumas espécies termófilas que tem

com temperatura ótima de crescimento perto dos 55oC. A principal diferença entre as

Desulfotomaculum e as Desulfovibrio, é que a primeira esporula. Outra característica das BRS

é que elas necessitam de potencial redox negativo no meio, valores inferiores a -100mV, com

eletrodo normal de hidrogênio. (Videla, 2003)

As BRS são microrganismos heterótrofos, elas necessitam de uma fonte orgânica de

carbono. Algumas delas efetuam a redução de sulfato a sulfeto, gerando no meio sulfetos,

bissulfetos e hidrogênio sulfetado. E algumas espécies do gênero Desulfovibrio para o seu

crescimento oxidam o hidrogênio, a oxidação do oxigênio despolariza o cátodo e acelera

indiretamente a reação anódica de dissolução de ferro, causando assim oxidação anaeróbica

do ferro.

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Outras bactérias relacionadas com processo de biocorrosão são as que oxidam o

ferro, elas são autótrofos e capazes de oxidar o ferro ferroso a férrico e assim obtendo

energia necessária para o seu crescimento. Devido ao longo tempo de geração essas

bactérias são difíceis de serem cultivadas em escala de bancada.

Normalmente são encontrados nos processos de biocorrosão, os gêneros Gallionella

e Ferrobacillus ferro-oxidans. As Ferrobacillus ferro-oxidans possui a morfologia de um bacilo

curto e com um flagelo polar. Como fonte de energia catalisa a oxidação do minério pirita a

sulfato férrico e produz o ácido sulfúrico. Devido a essa propriedade são consideradas como

bactérias com certo valor econômico. São utilizadas no processo e lixiviação de minerais

como o cobre, urânio e ouro. Nas minas em que os minerais estão em baixa concentração

sendo antieconômica a extração por métodos mecânicos.

As bactérias do gênero Gallionella são encontradas com freqüência em tubulações de

água de refrigeração. Geralmente, estão associadas as bactérias dos gêneros Leptothrix . Que

são microrganismos aeróbicos que crescem em pH ligeiramente alcalino e, Crenothrix que

crescem em águas estagnadas e com matéria em suspensão. A associação dos

microrganismos gera na tubulação uma formação denominada tubérculo.

Além das bactérias descritas é possível uma associação com a bactéria do gênero

Pseudomonas com fungos e com algumas BRS. Essa associação gera um deposito de biofilme

em instalações e tubulações, causando graves casos de corrosão em materiais como o

alumínio e suas ligas metálicas.

2.2 Algas

As algas são microrganismos eucarióticos, com exceção das algas azul-verdes,

apresentam diversa variedade de tamanho e estrutura, podendo ser unicelulares como

pluricelulares. São organismos autotróficos e fotossintéticos, tem em sua composição

15

membrana celular, clorofila e outros pigmentos. E podem apresentar reprodução sexuada ou

assexuada.

As algas são encontradas em instalações marinhas ou industriais, os gêneros mais

comuns são o Navicula, o Oscillatoria e o Chorella. As algas são responsáveis pela formação

do biofilme, com isso induzem a corrosão através de um mecanismo de aeração diferencial,

gerando gradientes de oxigênio ou pH sobre a superfície do metal.

2.3 Fungos

Os fungos são microrganismos eucarióticos, heterótrofos, possuem parede celular

espessa, apresentam uma estrutura ramificada denominada micélio, crescem em solos e

sobre vegetais mortos, possuem hifas que produzem esporos. Os fungos tem a temperatura

ótima de crescimento a 30oC, e se desenvolvem em ambientes com baixa umidade e pH

ácido.

O fungo Hormoconis resinae é um exemplo de fungo que provoca a biocorrosão, ele

provoca a corrosão de tanques de combustível de aeronaves. O fungo é contaminante do

combustível, e ao entrar no tanque encontram condições ideias para se proliferar, no seu

processo de crescimento produz ácidos orgânicos, que desloca o pH para faixa ácida do meio

e provocam a corrosão sobre as ligas de alumínio.

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3 Formação do biofilme

Acumulo e deposito sobre a superfície do metal, causa diminuição da vida útil do

material. O biofilme é o acumulo indesejável de material biológico na superfície do metal. A

sua formação é o primeiro passo para inicial a biocorrosão.

O biofilme é composto por células imobilizadas sobre um substrato. Encontra-se

colonizadas em uma matriz orgânica composta de polímeros extracelulares produzidos pelos

microrganismos e denominados de material polimérico extracelular (MPE).

O sistema de biofilme na superfície dos metais é complexo, pois está associado a

partículas inorgânicas produzido por biocorrosão. O esquema da formação do biofilme pode

ser visto na seguinte imagem:

Imagem 1- Formação do biofilme. Observa-se a aderência dos microrganismos, a formação

da área anaeróbica e o desprendimento dos materiais orgânico e inorgânico.

17

4 Corrosão do ferro e suas ligas

4.1 Biocorrosão por bactérias redutoras de sulfato

Em 1964 von Wolzogen Kuhr e Van der Vlugt realizaram um trabalho sobre a Teoria

de Despolarização Catódica (TDC), e conseguiram associar a corrosão de tubos de ferro

fundido ás BRS, hoje em dia esse tipo de biocorrosão recebe muita atenção e pesquisa,

muitos tenta validar a pesquisa feita por esses autores. A biocorrosão do ferro por BRS é

comumente encontrada na indústria petrolífera, na indústria do papel e na tubulação de gás

natural.

Imagem 2 – Reações da Teoria de Despolarização Catódica

No estudo realizado por von Wolzogen Kuhr e Van der Vlugt (1974) eles verificaram

que no local do ataque era encontrado um resíduo de aspecto “grafitizado”, com aspecto

esponjoso semelhante ao grafite. Isso aconteceu pelo fato de que a biocorrosão ocorre de

forma localizada e predominantemente por pites, e os produtos são pouco aderentes,

apresentam uma coloração escura e apresentam um odor de sulfeto de hidrogênio.

18

O processo em questão ocorre de forma rápida, isso pode ser explicado pelo

consórcio microbiano que ocorre na interface metal/solução. Além de que dentro do

biofilme criado surgem zonas anaeróbicas que também favorecem o crescimento das BRS.

Algumas vezes a biocorrosão causada pelas BRS formam pites, essa formação apresenta

estrutura escalonada e concêntrica.

Imagem 3 – Formação de pites pelas BRS

Durante o processo as BRS reduzem os íons sulfato produzindo diversos produtos

contendo enxofre, sendo esses corrosivos para o ferro e as suas ligas, e ao ser exposto aos

ânions de enxofrem eles reagem formando, ao final, pirita (FeS2). A formação dos sulfetos de

ferro é uma etapa de grande importância na biocorrosão. Esse processo pode ser

intensificado quando ocorre em contato com a água do mar, pois os íons cloreto e os sulfetos

intensificam e aumentam a velocidade de reação.

19

Imagem 4 - Produtos intermediários e finais do metabolismo das BRS

Para simplificar a teoria de despolarização catódica (TCD), ela pode ser descrita como

o processo de consumo do hidrogênio pelas BRS, ou seja, o hidrogênio adsorvido na

superfície metálica é removido. King e Miller (1973) descrevem que a BRS é responsável por

remover o hidrogênio da superfície enquanto o sulfeto ferroso seria o real agente

despolarizador da produção de hidrogênio.

Diversos autores tentaram provar a TCD com diversos experimentos, Horváth e

colaboradores (1959) verificaram a importância do pH e das condições de tamponamento do

meio, e também verificaram a importância do sulfeto de ferro no processo, classificando o

papel das bactérias como indireto. Booth também publicou diversos trabalhos e no fim todos

comprovaram a teoria de Von Wolzogen Kühr.

A partir dessas diversas pesquisas feitas algumas conclusões podem ser tomadas, a

ação corrosiva dos sulfetos é intensificada quando em condições bióticas, com mudanças

físico-químicas do meio o processo de corrosão pode ser refreado, como a mudança de pH

20

do meio comprovado por Horváth e colaboradores. Os efeitos causados pela TDC ocorrem

após a ruptura do filme do metal e que os efeitos corrosivos podem ser intensificados

quando ocorrem em regiões com a presença de cloretos e outros íons agressivos.

Em pesquisa uma pesquisa feira por Crolet (1993) foi possível verificar que as

bactérias BRS são responsáveis por criar um microambiente com pH perto da neutralidade, e

que com isso podem fornecer estabilidade a corrosão por pites em aços em água do mar,

essa biocorrosão é feita por uma outra bactéria marinha do gênero Vibris. E as BRS são

capazes de criar uma corrente galvânica estável sobre o aço, assim estabilizando a corrosão.

4.2 Biocorrosão por bactérias oxidantes do ferro

A biocorrosão por bactérias oxidantes de ferro é causada por um grupo heterogêneo

(Videla, 2003) de microrganismo (podendo ser bactérias do gênero Gallionella, Sphaerotiluus

e Leptothrix), essas bactérias são capazes de oxidar o íon ferroso (Fe++) a férrico (Fe+++). A

oxidação do ferro é feita pela bactéria para obter energia, ao consumir o O2 presente no

biofilme a bactéria cria uma célula de aeração diferencia, com a concentração do O2 do meio

inalterada e sem O2 dentro do biofilme, assim a zona sem O2 comportasse sob condição

anodo, criando pontos potenciais de ataque do metal.

Os microrganismos responsáveis por esse tipo de corrosão são oxidantes de íons

metálicos (ferro, manganês), eles criam ambientes agressivos para o ferro e suas ligas, pois

aumentam a concentração do íon cloreto, formando sais. Esse tipo de corrosão é grave, pois

ocorre predominante em forma de pites.

Esse tipo do biocorrosão ocorre principalmente em tubulações de ferro fundido, na

parede interna do tubo aparecem tubérculos, que são formados pela precipitação do

hidróxido de ferro associado com outros compostos de ferro. Assim é criado o

microambiente que as bactérias necessitam para crescer, a zona anaeróbica. Nessas zonas

21

ainda esta presente sulfetos e outros derivados, a presença desses compostos intensificam a

biocorrosão.

Imagem 5 – Morfologia dos tubérculos

A corrosão do ferro pode continuar acontecendo mesmo com a lise das bactérias do

sistema, pois a formação dos tubérculos pode manter a barreira de difusão do oxigênio

causando assim a sua oxidação.

Perramon Torrabadela e Pou Serra (1972), sugeriram um esquema para visualizar

todo o processo químico e biológico da formação e crescimento dos tubérculos.

Imagem 6 – Formação química do tubérculo

22

Imagem 7 – Processos biológicos de formação do tubérculo.

Olsen e Szybalski (1950) realizaram experimentos para conseguir explicar melhor as

condições de corrosão no interior do tubérculo. Os pesquisadores estudaram a célula de

aeração diferencial do sistema e verificaram a eficiência das bactérias oxidantes de ferro.

Entretanto esses microrganismos não são fundamentais para as condições de anaerobiose no

interior dos tubérculos. Portanto, são de extrema importância para a formação dos

tubérculos.

23

5 Biocorrosão do alumínio

A corrosão do alumínio e suas ligas é um assunto que recebeu muito enfoque de

estudo, diversos pesquisadores tentam através da experimentos entender e explicar as

variáveis envolvidas, os microrganismos responsáveis e tentar controlar esse tipo de

biocorrosão. Toda essa atenção foi dada devido aos casos de biocorrosão que ocorreram a

partir da década de 60, quando os turbos combustíveis contendo fração querosene

começaram a serem usados. Isso é explicado pelo fato de que os microrganismos envolvidos

nesse tipo de corrosão utilizam em seu metabolismo cadeias lineares de carbono com C10 a

C18).

Os microrganismos mais frequente encontrados nesse tipo de biocorrosão são o

fungo Hormoconis resinae (conhecido também como Cladosporium resinae) e a bactéria

Pseudomonas aeruginosa. Esses microrganismos são comumente encontrados em solos e

águas naturais (Videla, 2003).

Esses microrganismos são capazes de crescerem em gotículas de água presente

dentro dos tanques de combustíveis, eles são encontrados na interfase água/combustível e

nos biofilmes aderidos a parede dos tanques. Os combustíveis saem da destilaria sob a

condição anidro, porém pode ser contaminado com umidade, assim criando o ambiente para

os microrganismos se desenvolverem. A contaminação pode ocorrer por pequenas

quantidades de água que dissolvem no combustível, por água em suspensão, na forma de

gotículas, quase coloidais, e por condensação, proveniente da umidade do ar presente no

tanque (Videla, 2003).

Mesmo com procedimentos de manutenção dos tanques que te como objetivo retirar

a água presente nos tanques, sempre parte da água fica aderida na forma de gotículas nas

irregularidades das paredes (Videla, 2003). Essa pequena quantidade de água restante é o

suficiente para que os microrganismos comecem a se desenvolver, já que eles utilizam as

24

cadeias de carbono em seu metabolismo e encontram os outros micronutrientes necessários

na água e nos aditivos do combustível. A presença a água é fundamental, pois em

combustível anidro o microrganismo não consegue crescer.

O crescimento desses microrganismos é limitado devido à falta de nitrogênio e

fosforo no meio, esses compostos estão presentes nos aditivos dos combustíveis na forma de

nitrato e fosfatos. A escassez desses compostos atrapalha o crescimento do fungo, por outro

lado acelera a produção de ácidos orgânicos extracelulares, podendo causar uma corrosão

localizada (Rivers, 1973). O carbono e o hidrogênio são encontrados em abundancia no meio

e o oxigênio necessário para a que a biocorrosão ocorra é fornecido durante o

reabastecimento dos tanques.

A presença desses microrganismos nos tanques de combustíveis além de causarem a

corrosão do metal também podem causar o entupimento de filtros e injetores e prejudicar o

funcionamentos de manômetros.

Como visto a corrosão do alumínio e suas ligas ocorrem na presença de bactérias que

crescem na interfase água/combustível, o mecanismo desse tipo de reação não ocorre em

uma única etapa mais sim em simultâneos mecanismos. Podemos apontar 5 diferentes

mecanismos que causam a biocorrosão me questão:

a) Através do consumo dos hidrocarbonetos ácidos graxos são criados,

consequentemente aumentando a acidez do meio e criando as chances de

ocorrer uma corrosão localizada.

b) O crescimento dos fungos modifica o potencial redox do meio, criando um

ambiente propicio para oxidação, assim facilitando a corrosão por pites.

c) Também pelo consumo de hidrocarbonetos, ésteres de ação tensoativa são

produzidos, diminuindo a estabilidade dos filmes protetores da superfície

metálica.

25

d) Com a aderência dos microrganismos no metal forma-se o biofilme, o biofilme

cria uma zona de aeração diferencial e acidifica o meio, assim criando o ambiente

propicio para que ocorra o ataque localizado ao metal.

e) Os microrganismos presentes consomem os ânions passivos como os nitratos e

fosfatos para crescerem e, consequentemente deixando o metal livre para os

íons agressivos como cloretos e atacar o metal.

A combinação dos cinco mecanismos citados proporcionam um ambiente com baixo

valor de pH, alto potencial redox e baixa concentração de nitratos como também fosfatos.

Esse ambiente é favorável ao ataque do metal, rompendo assim o filme passivo do alumínio

e ocorrendo o ataque por pites. As sequencias dos fatos pode ser vistos nas imagens a seguir

Imagem 8 – Sequência do ataque à liga de alumínio em meio contento combustível

26

6 Biocorrosão em ambiente marinho

O ambiente aquático é cheio de vida, encontramos nele vida animal, vegetal e

microbiana. As condições do mar são variáveis, podendo encontrar diferentes pH,

temperatura, salinidade, concentração de oxigênio e principalmente uma variedade de

espécies microbianas. Devido à diversidade de meio existentes no ambiente marinho é

possível encontrar todos os tipos de biocorrosão descritos anteriormente, algumas vezes

encontramos mecanismos de biocorrosão acontecendo de forma simultânea.

A água do mar gera um meio de alta corrosividade, causando assim a dissolução

metálica, junto a isso ocorre à formação do biofilme. Esses dois processos interagem na

interfase metal/solução, e essa interação é de grande importância para determinar o

comportamento que o metal vai ter naquelas condições. Já o comportamento do biofilme

será determinado pela natureza do ambiente e pelo metal em questão.

Ao interagir com metais ativos (como o aço-carbono), o biofilme sintetizado

encontrará no sistema produtos da corrosão desse metal. Portanto, o biofilme terá em sua

composição material polimérico extracelular (MPE), microrganismos, água e os produtos da

corrosão. O biofilme nesse caso será disforme, podendo assim criar zonas anódicas e

catódicas e romper o filme de protetor. Tudo isso resultando em uma aceleração da

biocorrosão, sendo esse caso mais frequente.

Por outro lado encontramos casos aonde o metal em questão é passivo (como o

titânio), e esta livre de produtos de corrosão, com isso o biofilme criado é uniforme, gerando

o efeito “barreira” ao metal. O biofilme uniforme inibe o processo de corrosão, protegendo o

metal.

O titânio assim como o aço inoxidável apresenta um filme protetor de óxido sobre a

sua superfície, proporcionando assim a passividade ao metal. Mesmo o biofilme aparecendo

27

mais rapidamente na superfície desses metais em relação aos demais, até hoje não

apresentaram casos de biocorrosão em ambiente marinho. No biofilme desses metais estão

presentes diatomáceas, microalgas e bactérias.

As ligas de cobre apresentam propriedades antifouling, pois os íons cúpricos lixiviados

na superfície do metal são tóxicos aos microrganismos, por isso esse tipo de metal é muito

usado em trocadores de calor. Mas após meses de exposição à água do mar, esse metal

apresenta multicamadas de microrganismos, produtos de corrosão e MPE. Sendo a MPE a

responsável por proteger os microrganismos dos íons tóxicos. Esse sistema de multicamadas

é quebrado devido ao fluxo da água do mar, criando assim um biofilme irregular, e criando

efeitos de aeração diferencial, e consequentemente a biocorrosão.

Outros fatores também ajudam na corrosão desse tipo de metal, como a presença de

íons cloreto na água do mar, que quebram a passividade das ligas de cobre. Águas marítimas

com grande concentração de poluição (como áreas portuárias) apresentam sulfetos,

bissulfetos e hidrogênio sulfetado, esses compostos também modificam o comportamento

passivo da liga de cobre, incentivando a biocorrosão.

28

7 Biodeterioração de materiais não metálicos

Como visto os microrganismos são capazes de modificar a estrutura do metal e causar

a biocorrosão, mas além dos metais também encontramos na literatura casos de

deterioração de outros materiais como plásticos, concretos e combustíveis. Para esses casos

é melhor usar o termo biodeterioração. Segundo Hueck (1978) podemos definir a

biodeterioração como “mudança indesejável nas propriedades de um material por atividade

vital de microrganismo”.

Dentro dos materiais que sofrem a biodeterioração podemos dividi-los em três

grupos, os materiais naturais que são a celulose e seus derivados, produtos de origem animal

(lã) peças de museu e os monumentos de concreto; os materiais refinados e processados

como os plásticos, combustíveis, borrachas, vidros e adesivos; e por fim as estruturas,

sistemas e veículos, que são os edifícios e sistemas de transporte.

A biodeterioração do concreto pode ser descrita como a combinação de processos

químicos e microbiológicos, onde reações químicas prévias deixam o meio adequado para o

crescimento bacteriano. Em casos da biodeterioração do concreto, o dióxido de carbono e o

hidrogênio sulfetado abaixam o pH do meio para assim as bactérias do gênero Thiobacillus

começaram a crescer e produzir compostos agressivos ao concreto, acarretando assim a

desintegração do concreto.

No caso de monumentos de pedra para que a biodeteriorização ocorra é necessário

que meio apresente condições favoráveis para o crescimento dos microrganismos, como

umidade, luz e a presença de substrato. Os primeiros microrganismos a aparecerem em

monumentos de pedra costumam ser as cianobactérias, elas podem degradar a pedra

mecanicamente como quimicamente, além das microalgas também é comum a presença de

29

fungos, liquens (associação simbiótica entre algas e fungos) e musgos. Além das ações

mecânicas e químicas, a presença do biofilme também pode deteriorar a pedra, e outras

vezes a deterioração ocorre com a pigmentação do material base.

Assim como no caso do concreto a presença dos microrganismos em pedras somente

ocorre após o material sofrer uma erosão superficial, que pode ser causada por cálcio ou

outros íons. Por esse motivo Koestler (1988) considera a biodeterioração um processo

secundário.

A ação química ocorre pela presença de produtos gerados pelos metabolismos dos

microrganismos, sendo eles agressivos a pedra, como ácidos, agentes quelantes, oxalatos e

tensoativos. Já a ação mecânica pode ser exemplificada pelo crescimento dos liquens, onde a

hifas penetram na pedra e quebram parte do monumento. As biodeteriorizações aos

monumentos de pedra geram também uma perda a humanidade, uma vez que parte da

história esta sendo depredada, como é o caso do patrimônio inca, que se encontra na

América latina, para preservar esses monumentos programas foram criados com fim de

restaurar os monumentos, e também estão fazendo estudos para desenvolver técnicas de

preservação e conservação.

A borracha é proveniente do látex, esse produto natural é facilmente degradado por

microrganismos, por isso o látex é transformado a fim de retirar impurezas e adicionar

aditivos que diminuem sua susceptibilidade à biodeterioração. Mesmo com o tratamento

feito esse tipo de material apresenta outras características que possibilitam a ação dos

microrganismos sobre o material.

A hidrofobicidade, a textura superficial e a dureza são exemplos de características

que os plásticos e borrachas apresentam que favorecem a biodeterioração. Como exemplo

podemos citar o caso dos poliésteres que sofrem o ataque de enzimas em suas ligações

éster, e os poliuretanos que também sofrem a ação de enzimas extracelulares e

posteriormente é usado como fonte de carbono e energia.

30

8 Detecção e Monitoramento

Para a determinação da presença da biocorrosão o primeiro passo é determinar se no

local da corrosão existe e presença de microrganismos ou produtos do metabolismo. Para

isso deve levar em consideração os fatores que possibilitam garantir a presença do

microrganismo no local. Para explicar melhor os pontos que devem ser levados em conta

vamos usar como exemplo as BRS, pois são as bactérias mais comumente encontradas nos

processos indústriais. E posteriormente os temas de maior relevância serão abordados com

mais profundidade.

Primeiramente devem ser analisadas as condições do meio, se ele apresenta as

características necessária para o crescimento, como temperatura entre 20 e 50oC (levar em

conta a existência de espécies termófilas, podendo estar presentes em meio com

temperaturas mais elevadas); valores de pH entre 4,5 e 9,0, presença de micronutrientes

como fósforo, carbono e nitrogênio; níveis de íons específicos, no caso das BRS a presença de

sulfatos; existência de regiões com menos velocidade de fluxo.

Posteriormente deve ser decido o local aonde será feita a retirada da amostra, por

tanto deve ser observado aonde existe depósitos de biofilme; outros tipos de deposito como

o de matéria inorgânica; áreas aonde existem indício de corrosão como a presença de pites e

a formação de tubérculos. E por fim determinar a origem biológica do ataque corrosivo, para

isso conferir a presença de microrganismos viáveis na fase aquosa e principalmente no

depósito; isolar e identificar as espécies encontradas em ambas as fases; verificar se as

características encontrada condiz com a literatura e se a composição físico-química ao redor

da corrosão apresenta as características desejadas.

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Seguindo os passos acima é possível confirmar biocorrosão no local, e começar um

estudo detalhado sobre quais procedimentos devem ser adotados a fim de previr e combater

a biocorrosão, esses tópicos serão abortados de forma detalhada no próximo capitulo.

Uma forma simples, mas que necessita uma analise microbiológica para confirma-la,

é fazer uma analise visual do ponto onde é possível estar ocorrendo uma biocorrosão, as

características mais comuns são, depósitos característicos (moles); a presença de tubérculos;

a presença de cavidades e/ou perfurações na superfície do metal; e estrias brilhantes, visíveis

depois da remoção. Encontrando essas características é provável que exista biocorrosão no

local, mas é necessário confirmar com análise microbiológica.

Na tabela a seguir podemos verificar o tipo de deposito que cada bactérias produz:

Tabela 1 – Aspectos dos depósitos microbiológicos

Bactérias Aspecto

Fungos filamentosos Fibroso

Bactérias sulfato-redutoras (BRS) Negro

Bactérias oxidantes de ferro Laranja ou castanho

Bactérias oxidantes de enxofre Amarelo

Bactérias formadoras de limo Marrom ou cinza viscoso

A análise microbiológica é de extrema importância para confirmar a presença de

microrganismos, identificar a linhagem e determinar o numero de células. A metodologia de

análise vai depender do tipo do microrganismo e onde se encontra com relação a sistema

solida ou liquida. Na tabela seguinte são descritos o tipo de amostra como também o

melhor procedimento a ser utilizado:

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Tabela 2 – Demonstrativo para procedimentos de retirada de amostra

Material líquido Material sólido

Remoção do biofilme Microscopia

Quantificação de Células Óptica Epifluorescência Força Atômica

Eletrônica de

Varredura Totais Vivas Ativas

Além das técnicas na tabela existem atualmente, as que são utilizadas para testes

rápidos em campo, como é caso dos dip slides, que consiste em uma fita plástica recoberta

por um meio de cultura, essa fita deve ser levada em contato com o meio a ser analisada e

posteriormente levada a estufa para o crescimento celular durante 24h. A quantificação é

realizada comparando o resultado com o manual do fabricante. Outra técnica de campo são

os kits de teste, eles detectam a atividade de alguma enzima especifica e mudam de cor, por

exemplo, para as BRS se utiliza o teste da enzima hidrogenase.

Imagem 9 – Dip slide

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Imagem 10 – Escala de quantificação de bactérias com o uso de dip slides

O monitoramento deve ser feito através de dispositivos incorporados ao sistema que

possibilitam avaliar a população microbiana presente. Posteriormente, deve ser feita a

quantificação dessa população para assim estabelecer um tratamento com biocida eficiente

do circuito. O uso de técnicas corretas de amostragem e acompanhamento possibilitam o

entendimento do processo de corrosão, permitindo assim implementar uma prevenção

adequada. Vale ressaltar que cada sistema deve ser estudado de forma particular, pois cada

caso apresenta condições e composições diferentes.

Para escolher o melhor método de monitoramento deve ser levado e conta alguns

aspectos como ele ser simples, de fácil interpretação, compatível, preciso, econômico e

sensível. O sistema de monitoramento escolhido deve ser de acordo com as características

do local de monitoramento, por isso é de extrema importância conhecer todos os detalhes

do meio.

O coletor de amostra do sistema de monitoramento deve conter um metal idêntico

ao do sistema em estudo, assim as características da amostra serão idênticas ao do sistema

em questão. O sistema de monitoramento pode ser montado de três formas: in-situ, o

dispositivo fica ajustado diretamente à tubulação; side-stream fica em derivação; e ex-situ,

fica fora do sistema a ser monitorado. As características de cada sistema podem ser

encontradas na tabela abaixo:

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Tabela 3 – Modelos de sistema de amostragem

In-situ Side-stream Ex-situ

Localização Ajusta-se diretamente ao

sistema de

monitoramento

Une-se lateralmente ao

sistema, recebendo deste

uma porção de água

Não se une ao sistema

monitorado

Amostragem A frequência depende

das condições de

operação

Melhor acesso ao local de

amostragem do que no

in-situ

Livre acesso ao local de

amostragem

Operação Opera em condições reais Maior liberdade no

manejo das variáveis do

que no in-situ

Qualidade da água

idêntica à do processo

Utiliza água do processo

ou simulações

Atualmente já existem técnicas para monitorar a biocorrosão em tempo real. Um

dos métodos é o uso de um “sistema inteligente”, ele consiste no trabalho de simultâneos

dispositivos para coletar dados do meio, e com dados coletados em laboratório o operador

os insere no sistema, assim o próprio sistema é capaz de analisar a situação e propor

soluções para os problemas existentes.

35

9 Prevenção e controle da biocorrosão

A principal dificuldade encontrada para prevenir e controlar a biocorrosão é a falta de

compreensão do processo de biocorrosão e do processo de biofilme, esses processos ainda

são deixados de lado e somente são detectados após uma forte contaminação ou falhas

estruturais por corrosão. Os métodos convencionais, como o uso de proteção catódica ou

recobrimentos protetores ainda são utilizados com mais frequência, e técnicas para prevenir

a biocorrosão ainda são deixados de lado.

Para que a prevenção e controle sejam feitos de forma efetiva é de extrema

importância conhecer a natureza do biofilme em questão, tanto os microrganismos como os

compostos abióticos presentes. Compreendendo as reações físico-químicas presentes na

interface metal/solução, a atividade e o crescimento microbiano e as reações químicas

presentes no fluido é possível traçar um estratégia de prevenção e controle efetiva.

A eliminação total dos problemas microbiológicos é um processo muito difícil e

oneroso. Portanto, as empresas utilizam técnicas de prevenção, entre elas temos o uso de

biocidas e os métodos físico-químicos. O método a ser escolhido deve levar em consideração

diversos fatores como o regime de funcionamento (aberto ou fechado), características da

água, geometria do sistema e os materiais estruturais. Os métodos de prevenção à

biocorrosão se baseiam em dois aspectos: inibir o crescimento ou atividade do

microrganismo; e modificar as condições do meio a fim de evitar a adaptação do

microrganismo ao sistema.

Os principais métodos utilizados para a prevenção e controle são a limpeza, tanto

mecânica quanto química, e o uso de biocidas.

A limpeza é utilizada principalmente na remoção de depósitos na superfície metálica,

os principais depósitos são incrustações e sedimentos (limo). A limpeza mecânica é utilizada

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para retirar o fouling depositado no metal, podendo usar escovas, esferas de limpeza, jatos

d’água entre outras técnicas. Essa técnica é eficaz para retirar lodos, incrustações e as

bactérias associadas a esses materiais. Outra maneira é a utilização de filtros, tanto filtros de

grandes dimensões como filtros finos. A limpeza mecânica deve ser seguida de um

tratamento de biocida para eliminar os microrganismos presos à superfície do metal.

Ao utilizar a limpeza mecânica deve-se tomar cuidado para garantir a total remoção

do fouling, pois qualquer deposito residual irá acelerar a formação de pites ou corrosão por

aeração diferencial.

A limpeza química é aplicada após a mecânica, sendo eficiente em locais fechados e

zonas de ataque localizado, para a escolha do material utilizado devem ser levado em conta a

natureza dos contaminantes. Os principais agentes químicos utilizados são os ácidos

orgânicos e inorgânicos assim como os quelantes.

O tratamento com biocida é o melhor tratamento química que pode ser utilizado

contra biocorrosão, pois se trata de compostos capazes de matar ou eliminar o crescimento

microbiológico. Os requisitos que um biocida teve ter são: seletividade para os

microrganismos a eliminar, capacidade de manter o efeito inibidor diante de outras

substancias presentes no meio, não ser corrosivo para o metal do sistema, apresentar

adequada biodegradabilidade, ser seguro ao manuseio, baixo custo.

Antes da escolha do biocida é necessário saber contra qual microrganismo ele é

eficaz, para isso é recomendado realizar teste em laboratórios, para determinar qual biocida

usar e em qual concentração. Na tabela abaixo podemos ver diferentes biocidas, suas

características e contra quais microrganismos são eficazes.

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Tabela 4 – Principais biocidas e suas propriedades químicas.

Além da limpeza e dos biocidas outras técnicas podem ser aplicadas como o uso de

revestimentos e proteção catódica. Essas técnicas apresentam pontos positivos, mas

dependendo da sua aplicação apresentou um efeito contrario, por tanto a técnica a ser

escolhida para a prevenção e controle deve ser estudada antes, levando em conta a

individualidade de cada caso.

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10 Conclusão

Nos últimos 20 anos a biocorrosão teve uma mudança expressiva. Devido ao

desenvolvimento tecnológico industrial como também o conhecimento da ciência da

microbiologia, os pesquisadores investiram em pesquisa na área da corrosão microbiana.

Atualmente a biocorrosão é responsável por 30% de todas as corrosões de metal.

Portanto foi necessário entender os mecanismos dessa corrosão, com o objetivo de

preveni-la e monitora-la. No momento, os pesquisadores são capazes de compreender os

mecanismos envolvidos na biocorrosão, muito deles se tratam de mecanismos complexos,

envolvendo os microrganismos com os seus metabolismos como também com reações

químicas nos sistemas.

Os resultados das pesquisas mostram que a biocorrosão está presente em diferentes

ambiente do planeta. Abrange desde tubulações metálicas encontradas no subsolo, no

ambiente marinho. Como a biocorrosão é resultado também da ação de bactérias bactérias

classificadas como extremófilas, é possível identificar casos biocorrosão em ambiente de

alta temperaturas.

Para detectar a biocorrosão é necessário o conhecimento da microbiologia. Que

consiste em conhecer e identificar o microrganismo.Somente desse modo é possível

prevnir e controlar o processo de biocorrosão. Para trabalhar com esses processos necessita

de profissionais com conhecimento em diferentes áreas.

Por apresentar reações diferentes da corrosão convencional, foi necessário fazer um

estudo individualizado para os casos da biocorrosão. Sendo necessário desenvolver técnicas

de prevenção, controle e monitoramento únicos, uma vez que as técnicas já existentes não

eram eficazes no combate a biocorrosão. Com isso diversos equipamentos como a dip slide, e

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os kits para detecção rápida, foram desenvolvidos para agilizar e melhorar a detecção da

biocorrosão.

Com o aumento de estudo na área atualmente as empresas estão preocupadas em

monitorar a biocorrosão, pois foi verificado o prejuízo que elas geram, e com o

desenvolvimento de novas técnicas o controle tem se torna eficaz e vantajoso. Portanto o

conhecimento da microbiologia esta cada vez mais se tornando importante dentro de uma

indústria.

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REFERÊNCIAS

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