As estações de tratamento de efluentes podem fazer mais do que apenas tratar os efluentes. No futuro, elas também devem recuperar recursos. Uma abordagem que os pesquisadores da Eawag (Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology) estão buscando, é a conversão do carbono orgânico contido nos efluentes em bioplásticos, com a ajuda de bactérias.
Bioplásticos produzidos a partir de efluentes (Foto: Antoine Brison, Eawag).
O tratamento de efluentes para proteger a saúde humana e os corpos d’água continua sendo a principal tarefa das estações de tratamento de efluentes. Além disso, a recuperação de recursos vem ganhando importância no contexto de uma economia circular. Os efluentes, por exemplo, contêm muito carbono orgânico que muitas vezes é convertido em metano para posterior produção de energia. Antoine Brison e Nicolas Derlon, do Departamento de Engenharia de Processos da Eawag, investigaram as possibilidades e formas de converter carbono orgânico em bioplásticos, um produto de maior valor. Para isso, trabalham com bactérias capazes de armazenar carbono orgânico na forma de polihidroxialcanoatos (PHA). Esses biopolímeros servem como fonte de energia e carbono para as bactérias. Eles podem ser extraídos das células bacterianas e posteriormente processados em plástico biodegradável.
Se os bioplásticos pudessem ser produzidos a partir de efluentes, isso ofereceria várias vantagens sobre os métodos de produção presente. Atualmente, os PHAs são produzidos a partir de matérias-primas primárias, como açúcar ou óleos vegetais, em condições estéreis. Isso resulta em altos custos de produção, razão pela qual os bioplásticos PHA, apesar de suas propriedades atraentes, não podem competir com os plásticos à base de petróleo até o momento e, portanto, continuam sendo um produto de nicho. O uso de carbono orgânico de efluentes disponível gratuitamente, e o uso de culturas microbianas mistas, que não requerem condições estéreis e intensivas em energia são, portanto, uma abordagem promissora.
São necessárias três etapas para produzir esses bioplásticos a partir de efluentes. Primeiro, o máximo possível de carbono orgânico deve ser extraído do efluente. Posteriormente, esse carbono deve ser fermentado em ácidos graxos voláteis, os precursores do PHA. Finalmente, os pesquisadores podem cultivar seletivamente bactérias que armazenam PHA no substrato rico em ácido.
Dos efluentes ao bioplástico PHA
Dos efluentes ao bioplástico PHA (Gráfico: Eawag)
Micro peneiras compactas para separar o carbono
Para a separação do carbono orgânico de efluentes, os pesquisadores compararam dois métodos diferentes: por um lado, o decantador primário disponível na maioria das estações de tratamento de efluentes e, por outro lado, micro peneiras como tecnologia de separação alternativa. Os resultados mostraram que ambos os métodos são igualmente eficientes na remoção de carbono orgânico de efluentes. O rendimento foi particularmente alto quando os floculantes foram adicionados ao efluente com antecedência, de modo que as partículas menores se aglomeraram para formar as maiores e, assim, sendo melhor separadas.
Desta forma, cerca de 60% do carbono orgânico contido nos efluentes pode ser recuperado. A fermentação do carbono capturado com as duas diferentes tecnologias de separação produziu substratos com composição e abundância de ácidos graxos semelhantes e são, portanto, igualmente adequados para a produção de plástico PHA. No entanto, uma grande vantagem das micro peneiras é que elas são significativamente menores, sua necessidade de espaço é apenas cerca de 10 a 15% comparada aos decantadores primários. Isso também convenceu algumas estações suíças de tratamento de efluentes, como a estação Sihltal (Zurique), que usará micro peneiras a partir de 2023.
Com as micro peneiras, o carbono orgânico pode ser separado dos efluentes de forma tão eficiente quanto nos decantadores primários usados anteriormente, sendo que as micro peneiras, requerem significativamente menos espaço. (Foto: Huber).
As bactérias que armazenam PHA têm uma vantagem em ambientes com nutrientes limitados
Para a produção de PHA, uma biomassa enriquecida em bactérias armazenadoras de PHA deve ser cultivada no substrato rico em ácidos graxos. Os pesquisadores, portanto, investigaram em quais condições essas bactérias crescem melhor e podem prevalecer sobre outras bactérias que não armazenam PHA. Uma vez que os PHA são substâncias de armazenamento que as bactérias produzem apenas em condições de crescimento restritas, por exemplo, quando falta um nutriente importante como o fósforo, seria razoável supor que as deficiências de nutrientes poderiam ser uma vantagem de seleção para as bactérias que armazenam PHA.
No centro de testes da Eawag, os pesquisadores experimentaram efluentes sintéticos com diferentes proporções de carbono para fósforo. A equipe descobriu que a proporção de bactérias armazenadoras de PHA na comunidade microbiana na verdade aumentava quando a disponibilidade de fósforo diminuía.
No melhor cenário, as bactérias armazenadoras de PHA dominavam com mais de 90%, ao mesmo tempo em que também formaram mais o plástico PHA e removeram completamente o carbono e o fósforo dos efluentes.
Posteriormente, os experimentos foram realizados com efluentes reais, cuja composição variou ao longo dos 150 dias de teste. Embora isso significasse que os nutrientes fósforo e nitrogênio não eram consistentemente limitantes, até 70% da biomassa estava na forma de PHA no final do experimento.
Possíveis aplicações de bioplásticos a partir de efluentes
Mais experimentos serão necessários para melhor compreender e otimizar os processos de produção de bioplásticos a partir de efluentes, antes que testes piloto possam ser realizados em estações públicas de tratamento de efluentes.
E onde os pesquisadores veem as aplicações em potencial, se um dia for possível produzir os bioplásticos a partir de efluentes? “Mesmo que esses plásticos possam eventualmente se tornar economicamente viáveis, seria impossível produzir em quantidade suficiente para cobrir a demanda da sociedade por equivalentes petroquímicos”, diz Antoine Brison. Outro grande obstáculo à utilização de bioplásticos de efluentes é que ainda faltam as condições da estrutura legal e a aceitação social. Portanto, Brison vê potencial em aplicações de nicho mais específicos para os bioplásticos feitos de efluentes por exemplo, como revestimento para os fertilizantes alcançarem uma liberação lenta. Outra possibilidade é o concreto auto reparável, no qual uma empresa holandesa está trabalhando. Dessa forma, os PHAs podem servir como uma fonte de carbono para bactérias que curam fissuras no concreto quando a água penetra, estimulando a formação de cal.
Um reator adequado para as estações de tratamento de efluentes
Até agora, os chamados reatores em batelada seqüencial (SBR) foram usados para a produção ambiental de bioplásticos PHA, que são alimentados com o substrato inicial em lotes. No entanto, as estações de tratamento de efluentes operam com um fluxo contínuo. Os pesquisadores, portanto, investigaram se um reator contínuo de tanque agitado (CSTR) poderia ser adequado, o que facilitaria a integração da produção de PHA nas estações de efluentes existentes. Descobriu-se que este reator, tornou possível produzir significativamente mais biomassa com armazenamento de PHA a partir da mesma quantidade de efluentes.
Publicações Originais
Brison, A.; Rossi, P.; Gelb, A.; Derlon, N. (2022) The capture technology matters: composition of municipal wastewater solids drives complexity of microbial community structure and volatile fatty acid profile during anaerobic fermentation, Science of the Total Environment, 815, 152762 (13 pp.), doi:10.1016/j.scitotenv.2021.152762, Institutional Repository
Brison, A.; Rossi, P.; Derlon, N. (2022) Influent carbon to phosphorus ratio drives the selection of PHA-storing organisms in a single CSTR, Water Research X, 16, 100150 (11 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2022.100150, Institutional Repository
Brison, A., Rossi, P. and Derlon, N. (2023): Single CSTR can be as effective as an SBR in selecting PHA-storing biomass from municipal wastewater-derived feedstock. Water Research X, Vol. 18. DOI: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589914723000014
Financiamento / Cooperações
- Eawag
- EPFL
Fonte: Eawag (Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology) e Claudia Carle
Adaptado por Digital Water
