Avaliação da tratabilidade do Efluente [i]Kraft[/i] por Processo Biológico Assistido com Lacase comercial pela metodologia de superfície de resposta

ISBN 978-85-85905-19-4

Área

Ambiental

Autores

P. Machado, E. (UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ) ; R. Xavier, C. (UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ) ; H. Couto, G. (UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ)

Resumo

O objetivo deste trabalho foi realizar a caracterização do efluente Kraft e avaliar o tratamento deste por processo biológico na presença de Lacase comercial. Foi empregado delineamento experimental para determinar os efeitos do pH, temperatura e concentração de Lacase comercial nos parâmetros de DQO, Cor, Compostos Fenólicos Totais (CFT), Compostos Lignínicos (CL), Área Espectral e Turbidez. O experimento fatorial mostrou que o uso da Lacase comercial influencia positivamente a remoção de lignina, cor e área espectral, sendo mais eficiente em pH 4 e temperatura de 37°C e com aplicação de 100 ppm de Lacase.

Palavras chaves

Enzimas ligninolíticas; Indústria Papeleira; Lagoa Aerada Facultativa

Introdução

As indústrias de celulose e papel representam importante base para a economia brasileira. Em agosto de 2015, os valores de exportação foram de US$429 milhões e US$168 milhões para celulose e papel, respectivamente, representando um crescimento de 4,9% e 8,9%, respectivamente, em relação ao mesmo período de 2014 (IBÁ, 2015). Em contrapartida a esse desenvolvimento econômico, esse setor ainda enfrenta desafios para melhorar sua gestão de poluentes, considerando os feedbacks ambientais e requisitos legais dos órgãos ambientais competentes (KAMALI; KHODAPARAST, 2015). De acordo com Almeida, Assalin e Rosa (2004), a indústria de papel e celulose é caracterizada pelo alto consumo de água em seus processos, gerando grandes volumes de efluentes líquidos com elevado potencial de contaminação ambiental. O processo mais empregado para a produção de polpa em todo o mundo é o processo Kraft (IPPC, 2013), que gera efluente com altas concentrações de matéria orgânica, cor, compostos de desregulação endócrina (fitoesteróis) e compostos fenólicos de alto peso molecular, que se lançados sem o devido tratamento, causam impacto significativo no ambiente aquático (COSTIGAN et al., 2012; DYKSTRA et al., 2015). No Brasil, o tratamento mais difundido para este efluente são os sistemas biológicos, em especial as lagoas aeradas facultativas, pelo bom rendimento e facilidade de operação. Este tipo de tratamento é eficiente na remoção da matéria orgânica biodegradável, removendo facilmente mais de 90 % da DBO_5,20, entretanto alguns contaminantes do efluente i]Kraft, como os compostos lignínicos e seus derivados, persistem devido à sua recalcitrância, atribuindo cor e toxicidade ao efluente mesmo após o tratamento (RABELO, 2005). No esforço para encontrar tecnologias de recursos menos extensivos, processos de biorremediação catalisados por enzimas tem sido cada vez mais explorados ao longo dos anos (STRONG e CLAUS, 2011). A associação de processos enzimáticos com sistemas de Lagoas Aeradas Facultativas (LAF) é uma alternativa que não implica em grandes mudanças nas plantas mais antigas de tratamento biológico, pois o custo do tratamento enzimático depende praticamente do custo da enzima (IBRAHIM et al., 2001). Um grupo de enzimas que recebem atenção especial no setor de papel e celulose é o das Lacases, com aplicações tanto na tecnologia de branqueamento, devido ao seu papel na degradação da lignina (BORGES et al., 2010), como no tratamento de efluentes, pelo seu potencial de destoxificação de poluentes fenólicos (ZENG et al., 2013; PACHECO e SOARES, 2014; KÜES, 2015). A Lacase pertence ao grande grupo das polifenoloxidase, enzimas com íons de cobre que catalisam a oxidação de compostos mono, di e polifenóis, aminofenóis, metoxifenóis e aminas aromáticas. A reação de oxidação catalisada por estas enzimas ocorre com a extração de um elétron de um substrato fenólico gerando um radical fenoxila. Estes atuam em reações não catalíticas como acoplamento de radicais, que podem ser despolimerizados ou serem levados à repolimerização (HATAKKA, 1994). Neste contexto, esse trabalho teve como objetivo realizar a caracterização do efluente Kraft e avaliar o desempenho do tratamento deste efluente por processo biológico assistido por Lacase comercial em escala de bancada, testando diferentes condições de pH, temperatura e concentração de enzima comercial.

Material e métodos

O efluente industrial utilizado foi obtido de uma indústria de papel e celulose não branqueada, localizada na região metropolitana de Curitiba - PR, Brasil. O efluente foi coletado na entrada do sistema de tratamento e preservado a 4°C, na ausência de luz (ABNT, 1987). As características do efluente foram determinadas por meio de análises de Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO_5,20), Demanda Química de Oxigênio (DQO), Cor, Compostos Fenólicos Totais (CFT), Compostos Lignínicos (CL) e Área Espectral (AE). Estas análises foram realizadas em amostra filtradas (filtro 0,45 µm), seguindo a metodologia proposta por APHA (2005), Çeçen (2003) e Salvador, Marcolino, Peralta-Zamorra (2012). Também foi realizada a medida do pH (pHmetro CienlaB mPA-210) e da Turbidez (Turbidímetro Policontrol AP2000) em amostras não filtradas. O delineamento experimental utilizado foi o fatorial 2³, com ponto central, resultando em 9 condições experimentais, realizadas em triplicata. As variáveis foram: pH, temperatura e concentração da Lacase comercial. Os níveis utilizados no desenho experimental foram: 0 e 100 ppm de Lacase comercial; temperatura de 15 e 37 °C e pH de 4 e 8. O ponto central foi estabelecido como 50 ppm de Lacase, temperatura de 25 °C e pH 7. A enzima utilizada foi a Lacase NOVOZYM 51003®, fornecida pela empresa Novozymes. Esta é uma Lacase do fungo ascomiceto Myceliophthora thermophila produzida por Aspergillus sp. por fermentação submersa. Este produto apresenta 1000 unidades de Lacase (Laccase Myceliophthora Units ou LAMU) por grama de enzima, sendo um LAMU definido como a quantidade de enzima necessária para oxidar 1 mmol de Siringaldazina (SGZ) por minuto no pH 7,5 a 30°C (catálogo comercial). O experimento foi realizado em batelada, sob condições de temperatura controlada em incubadora (modelo BOD SL200/034) e oxigenação maior que 5 mg O₂ L^-1 por meio de compressor de ar (modelo Boyu - U 3800). A Carga Orgânica Volumétrica utilizada foi de 0,2 kg DQO m^-3 d^-1 (carga média da indústria de origem do efluente), usando um volume de 250 mL, em Erlenmeyers de 500 mL. Em todos os experimentos adicionou-se nutrientes (NH₄Cl e K₂HPO₄) no efluente da indústria para uma proporção de 100:5:1 de DBO_5,20:N:P, também adicionou-se biomassa proveniente do fundo da Lagoas Aeradas Facultativas (LAFs) da indústria para obtenção de uma concentração final de aproximadamente 60 mg SSV L^-1. O pH do efluente foi corrigido com H₂SO₄ e NaOH. Os parâmetros de resposta utilizados foram as remoções, ou incremento, de DQO, Cor, Compostos Lignínicos (CL), Compostos Fenólicos Totais (CFT), Área Espectral (AE) e Turbidez, analisados seguindo a mesma metodologia usada na caracterização. Os dados foram tratados no programa Statistica 10.0, utilizando a metodologia de superfície de resposta.

Resultado e discussão

Na Tabela 1 são apresentados os valores obtidos da caracterização do efluente usado no experimento. O resultado é a média de três coletas, acompanhado do desvio padrão associado e comparado a faixa que engloba valores de caracterização encontrados nos trabalhos de Villamar et al., (2009), Chamorro et al., (2010) e Xavier et al., (2011). Como pode ser visto na Tabela 1, o efluente usado no estudo é predominantemente alcalino, um vestígio da polpação com sulfeto e hidróxido, mostrando eficiência no processo de recuperação dos produtos usados. O efluente também apresenta uma relação DBO_5,20/DQO superior a 0,25, o que viabiliza o tratamento biológico, entretanto possui também altos níveis de compostos lignínicos e fenólicos, além da cor. De acordo com Whiteley e Lee (2006), processos biológicos convencionais apresentam baixa eficiência quando aplicados para a remediação de compostos fenólicos em concentrações acima de 100 mg L^-1, devido a elevada toxicidade conferida por esses compostos, por esse motivo há necessidade de testar tratamentos alternativos. A Figura 1 mostra os gráficos de contorno desenhados pelo modelo estatístico que melhor se ajustou ao conjunto de dados obtidos do planejamento experimental. No gráfico de contornos pode se observar os valores de remoção obtidos da correlação de dois fatores simultaneamente, fixando o terceiro no ponto médio. Como mostra a Figura 1a, os valores de remoção da DQO aumentam à medida que temperatura aumenta e o pH diminui. Nesta figura, encontra-se o melhor valor de remoção obtido com a aplicação de 50 ppm de Lacase, em temperatura de 37 °C e pH 4, atingindo aproximadamente 68 % de remoção. Apesar do efeito das enzimas não ser significativo (Figura 1b), o modelo sugere que a aplicação de enzima em quantidade superior a 50 ppm proporciona menores remoções de DQO, o que se deve ao fato da enzima ser uma molécula orgânica que, ao mesmo tempo que facilita oxidação do efluente, também aumenta inicialmente a sua DQO (VILLELA, 2006). Quanto ao parâmetro de cor (Figura 1c), o modelo mostra que o melhor valor de remoção de cor que pode ser obtido com uso da enzima é aproximadamente 64 %, com aplicação de 50 ppm de Lacase, pH 4 e temperatura menor que 21 °C, Isso corrobora com estudos realizados e Pacheco e Soares (2014), ao trabalharem com Lacase, os autores constataram que a atividade dessa enzima é maior em pH entre 4 e 5. Grötzner (2014) ao estudar o tratamento físico químico de efluente de CTMP de indústria papeleira, também constatou que este efluente mostra alteração na cor com a redução do pH, chegando a uma remoção de mais de 30 % da cor, apenas corrigindo o pH de 6 para 4. Isto porque, em condições mais ácidas, os íons OH^- deixam de dominar a reação da mistura, dessa forma a oxidação dos poluentes é facilitada devido à presença de radicais livres ativos, em condições pH maiores, os íons OH^- atuam fazendo uma espécie de varredura dos radicais livres e inibindo algumas reações (GARG, MISHRA e CHAND, 2010). De acordo com o modelo, os valores de remoção dos Compostos Fenólicos Totais (CFT) aumentam à medida que temperatura aumenta e o pH diminui. O melhor valor obtido pelo modelo foi com a aplicação de 50 ppm de Lacase, em temperatura de 37 °C e pH 4, atingindo 72 % de redução (Figura 1d). Durante o estudo se observou que a aplicação de enzima em quantidade superior a 50 ppm proporciona menores remoções de CFT, assim como acontece com o parâmetro de DQO. Na Figura 1e também se observa que há um aumento na remoção dos compostos Lignínicos (CL) à medida que o pH diminui e a quantidade de enzima aumenta. O ponto ótimo de remoção foi obtido a 25 °C, com aplicação de 100 ppmp de Lacase e pH 4 (Figura 1e-f), atingindo mais 60 % de remoção, sendo este o parâmetro em que melhor se verificou a ação da Lacase comercial empregada nesse trabalho. De acordo com HATAKKA (1994), a Lacase pode atuar tanto despolimerizando quanto polimerizando a lignina. Estudos conduzidos por esse autor mostram que a primeira etapa de degradação da lignina catalisada por enzimas, é uma reação oxidativa com perda de 1 elétron de um grupo fenólico de lignina para produzir fenoxirradicais, os quais podem reagir através de mecanismos não enzimáticos. Concorrentemente, devido à atividade polimerizante da enzima, os produtos de baixa Massa Molar (MM) podem formar compostos maiores. Essas ações contrastantes sugerem que a biodegradação da lignina por Lacases, envolve condições de pH e temperatura do substrato, além da presença de compostos não enzimáticos, que interagem para estabelecer um equilíbrio entre polimerização e despolimerização enzimática da lignina (VILLELA, 2006). De acordo com o modelo obtido, os valores de iminuição da Área Espectral (AE) aumentam à medida que o pH diminui e a temperatura aumenta. O melhor valor de remoção obtido pelo modelo foi com a aplicação de 50 ppm de Lacase, a 37 °C e pH 4 (Figura 1g), atingindo valores maiores que 64 %. Este efeito na AE se mostra como resposta à atividade da enzima na biotransformação dos compostos específicos do efluente, chegando à remoção de 64 % para CLs e 72 % para CFTs (Figura 1d-g) nestas mesmas condições de tratamento. Quanto ao parâmetro de turbidez, segundo o modelo se observou que os valores de remoção deste parâmetro aumentam à medida que o pH e a Temperatura aumentam. O ponto ótimo de remoção foi obtido em temperatura de 37 °C, com aplicação de 50 ppm de Lacase e pH 8 (Figura 1h), atingindo mais 96 % de remoção. Esta remoção acontece porque o meio alcalino favorece a formação de hidróxidos, e os compostos hidrolisados, ao interagir com as partículas do meio, formam precipitados, caracterizando o mecanismo de varredura (DI BERNARDO e DANTAS, 2005).

* Faixa que engloba valores de caracterização encontrados nos trabalhos de Villamar et al., (2009), Chamorro et al., (2010) e Xavier et al., (2011).


DQO (a e b), Cor (c), Compostos Fenólicos Totais (d), Compostos Lignínicos (e e f), Área espectral (g) e Turbidez (h).

Conclusões

A caracterização do efluente da indústria de papel e celulose kraft usado neste estudo, como esperado, mostrou um efluente com alta carga orgânica e grande quantidade de compostos específicos tóxicos à biota aquática. O efluente também apresentou uma relação DBO_5,20/DQO acima do valor recomendado para tratamentos biológicos, indicando boa biodegradabilidade. Pelos resultados obtidos com o delineamento fatorial, pode-se concluir que a Lacase NOVOZYM 51003®, na forma como foi utilizada neste estudo, mostrou resultados satisfatórios de remoção de Compostos Lignínicos, Cor e Área Espectral, em condições controladas pelo desenho experimental, sendo mais eficiente em concentração de 100 ppm de Lacase, em pH 4 e temperatura de 37 °C, onde se obteve remoção de 65,00±0,32% da DQO, 46,28±1,03 % da Cor, 70,09±1,07% dos CFTs, 56,40±0,07% dos Compostos Lignínicos, 72,33±0,41 % da Área Espectral e 64,57±0,17 % da Turbidez. Vale ressaltar que, apesar dos resultados eficiência obtidos em pH 4, deve-se levar em conta que, na intenção de integrar os processos enzimáticos com tratamento biológico convencional, a acidificação nao é recomendada por afetar a microbiota do sistema. Por esse motivo ainda há muito a se pesquisar para se chegar à otimização dos processos de biotransformação do efluente das indústrias de papel e celulose kraft combinando Lagoa Aerada Facultativa (LAF) com sistemas enzimáticos, de forma a encontrar uma condição que seja favorável às enzimas e à atividade microbiana da LAF.

Agradecimentos

UTFPR, NOVOZYMES, Industria de papel [i]kraft[/i] e a CAPES.

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