Aproveitamento das águas residuais municipais como um recurso
Polímeros microbianos para bioplásticos
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As estações de tratamento de águas residuais fazem mais do que apenas limpar as águas residuais. São também fontes de matérias-primas. No projeto KoalAplan, os investigadores do Instituto Fraunhofer de Engenharia Interfacial e Biotecnologia IGB estão a trabalhar com parceiros para recuperar produtos de alta qualidade das águas residuais municipais. Estes incluem amónio, hidrogénio e polihidroxialcanoatos (PHA), que podem ser utilizados para produzir plásticos de base biológica e biodegradáveis.
As nossas águas residuais transportam mais do que apenas sujidade e excreções. Contêm também matérias-primas valiosas, como o azoto e os compostos orgânicos de carbono. Podem ser utilizados métodos químicos, biológicos e físicos para recuperar hidrogénio, amónio e polihidroxialcanoatos (PHA). O amónio recuperado pode ser utilizado como fertilizante azotado para a agricultura, e os PHAs são a matéria-prima para os bioplásticos. Estes processos são o objeto de investigação dos investigadores que trabalham no projeto KoalAplan. O trabalho de investigação interdisciplinar dos parceiros do projeto decorre na unidade de investigação de tratamento de águas residuais da Universidade de Estugarda, em Büsnau. Trabalhando em condições reais, os parceiros estão a testar como as matérias-primas podem ser recuperadas das estações de tratamento de águas residuais. Para o efeito, foi criada uma biorrefinaria como unidade-piloto. Funcionou durante mais de seis meses em 2024.
Contornar a remoção biológica de azoto
Um dos métodos estabelecidos no projeto, o método do fluxo primário, envolve o tratamento de águas residuais após a separação prévia de sólidos durante a clarificação primária. Numa estação de tratamento de águas residuais tradicional, o azoto presente nas águas residuais é removido biologicamente. Os microrganismos convertem os compostos de azoto em azoto gasoso (gases com efeito de estufa), que se liberta sem ser utilizado para a atmosfera. No projeto KoalAplan, pelo contrário, o azoto não se perde. Em vez disso, é recuperado como matéria-prima através da remoção física do amónio utilizando um filtro de zeólito ou um sistema de troca iónica. Depois disso, o azoto é recuperado através da regeneração do filtro de zeólito, produzindo uma solução concentrada de amónio que pode ser utilizada na agricultura como fertilizante azotado.
Recuperação de carbono orgânico a partir de sólidos presentes nas águas residuais
Numa estação de tratamento de esgotos municipal tradicional, uma grande parte dos sólidos presentes nas águas residuais é separada por sedimentação durante a clarificação primária. Esta "lama primária" é fermentada numa torre de digestão, produzindo metano. No conceito de biorrefinaria, é antes submetida a uma fermentação escura, sendo o processo de degradação interrompido na fase de produção de ácidos orgânicos de cadeia curta. Após uma separação sólida em duas fases, é produzido um hidrolisado sem partículas. Este hidrolisado é rico em ácidos orgânicos de cadeia curta e pode ser utilizado para uma variedade de fins. O projeto KoalAplan explora estas potencialidades, por exemplo, a eletrólise microbiana para a produção de hidrogénio e a produção microbiana de PHAs. "O nosso trabalho no Fraunhofer IGB consistiu em utilizar a fermentação para converter o hidrolisado em PHA, um biopolímero bacteriano termoplástico biodegradável", explica Pravesh Tamang, cientista sénior para PHAs e investigador no Fraunhofer IGB.
Hidrolisado ácido convertido em PHAs
Os PHAs são geralmente produzidos utilizando microrganismos, que podem crescer numa vasta gama de diferentes substratos. Os microrganismos utilizam o hidrolisado, que é rico em ácidos orgânicos como o ácido acético, propiónico e butírico, como fonte de carbono e energia. "As bactérias precisam dos ácidos orgânicos para crescer e produzir os PHAs", explica Tamang. Onde está o problema? Se estes ácidos orgânicos estiverem presentes numa concentração demasiado elevada, têm efeitos tóxicos nos microrganismos. Isto significa que o primeiro passo para Tamang e a sua equipa foi identificar estirpes adequadas de bactérias que pudessem utilizar os ácidos tanto para o seu próprio crescimento como para produzir PHAs. "Em comparação com as outras bactérias que testámos, a Cupriavidus necator provou ser a bactéria mais tolerante em contacto com os ácidos orgânicos", afirma Tamang.
Para evitar que os ácidos impeçam o crescimento dos microrganismos, os investigadores também desenvolveram um método de perfusão com retenção de células no bioreactor. A retenção de células é feita através de um filtro especial que assegura que as células ou microrganismos permanecem no reator, permitindo uma elevada densidade celular e um tempo de cultura mais longo. Tamang explica o processo: "Passamos o caldo de fermentação do biorreactor através de um filtro de fluxo cruzado e, em seguida, alimentamos as células com os grânulos de PHA que são retidos no filtro de volta para o reator. Esta retenção de células permitiu-nos alimentar com concentrações de ácido variáveis. O biopolímero é extraído das células bacterianas no final da fermentação".
Um copolímero PHA muito procurado para uma série de aplicações
Os investigadores do Fraunhofer IGB conseguiram utilizar o seu método de perfusão para evitar a inibição do crescimento bacteriano. Mostraram que 97% do carbono dos ácidos orgânicos foi utilizado pelos microorganismos e convertido em biomassa e PHAs. "O nosso produto PHA é um copolímero de poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato), ou PHBV, especialmente ajustado. Em comparação com um homopolímero, tem propriedades mecânicas melhoradas. Isto deve-se ao facto de conter cerca de dez por cento de 3-hidroxivalerato, o que reduz a cristalinidade e torna o material mais flexível, mais fácil de moldar e mais versátil", explica Tamang.
Como próximo passo, Tamang e a sua equipa planeiam otimizar o processo de fermentação para produzir PHBV com uma concentração de 3-hidroxivalerato ainda mais elevada (40 a 70 por cento). Estes copolímeros de PHBV especialmente ajustados podem então ser utilizados por químicos de polímeros e especialistas em aplicações da indústria como amostras para testar as propriedades materiais do biopolímero e descobrir novos campos potenciais de aplicação. A matéria-prima ecológica que é produzida por este processo pode ser utilizada de várias formas - como embalagem de utilização única, película de cobertura vegetal na agricultura, na indústria farmacêutica, ou mesmo para implantes médicos ou revestimentos têxteis de base biológica.
A recuperação de matérias-primas contribui para a neutralidade climática
Normalmente, o dióxido de carbono é produzido quando o carbono orgânico é removido através de uma estação de tratamento de águas residuais. O método desenvolvido como parte do projeto reduz as emissões deste gás que provoca o aquecimento global. "Ao mesmo tempo, também produzimos matérias-primas que ajudam a substituir os produtos derivados do petróleo. Desta forma, as estações de tratamento de águas residuais do futuro podem dar um contributo importante para a neutralidade climática", explica Tamang.
Parceiros do projeto:
- Associação Técnica e Científica Alemã para o Gás e a Água (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches, DVGW), centro de investigação do Engler-Bunte-Institut do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) (coordenação, produção do hidrolisado ácido e sem partículas, produção de hidrogénio através de eletrólise microbiana)
- Instituto Fraunhofer de Engenharia Interfacial e Biotecnologia IGB (produção de PHA)
- CUTEC Centro de Investigação de Clausthal para Tecnologias Ambientais da Universidade de Tecnologia de Clausthal, Departamento de Engenharia de Processos de Águas Residuais (apoio científico e pegada de carbono)
- Universidade de Tecnologia de Hamburgo (TUHH), Instituto de Microbiologia Técnica (produção de hidrogénio através de eletrólise microbiana)
- Umwelttechnik BW GmbH, agência estatal para a tecnologia ambiental e eficiência de recursos em Baden-Württemberg (relações públicas e utilização de resultados)
- Universidade de Estugarda, Instituto de Engenharia Sanitária, Qualidade da Água e Gestão de Resíduos Sólidos - estação de tratamento de águas residuais de ensino e investigação (recuperação de amónio)
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