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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
AVALIAÇÃO DA HIDRÓLISE ALCALINA DA GORDURA
SOBRE A BIODEGRADAÇÃO ANAERÓBIA DE
SORO DE QUEIJO
Maria Clara Machado Alessi
Uberlândia - MG
2005
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
AVALIAÇÃO DA HIDRÓLISE ALCALINA DA GORDURA SOBRE A
BIODEGRADAÇÃO ANAERÓBIA DE SORO DE QUEIJO
Maria Clara Machado Alessi
Dissertação de mestrado apresentada ao
Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Química da Universidade Federal de
Uberlândia como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de Mestre em
Engenharia Química, área de concentração em
Pesquisa e Desenvolvimento de Processos
Químicos.
Uberlândia - MG
2005
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A372a Alessi, Maria Clara Machado, 1979-
Avaliação de hidrólise alcalina da gordura sobre a biodegradação anaeróbia de soro de queijo
/ Maria Clara Machado Alessi. - Uberlândia, 2005.
69f. : il.
Orientador: Eloizio Júlio Ribeiro.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Uberlândia, Progra-grama de Pós-
Graduação em Engenharia Química.
Inclui bibliografia.
1. Hidrólise -Teses. 2. Soro do leite - Teses. 3. Biodegradação - Teses. 4. Bioreatores. 5.
Óleos e gorduras - Teses. I. Ribeiro, Eloizio Júlio. II. Universidade Federal de Uberlândia.
Programa de Pós-Graduação em En-genharia Química. III. Título.
CDU: 66.094.941 (043.3)
“
Louvado seja, meu Senhor, com todas as Tuas
criaturas. Especialmente o irmão Sol, que
clareia o dia e com sua luz nos ilumina. Ele é
belo e radiante. Pela irmã Lua e as Estrelas,
que no céu formastes claras, preciosas e belas.
Pelo irmão Vento, pelo ar ou neblina, ou
sereno e de todo tempo pelo qual as Tuas
criaturas dais sustento. Pela irmã Água, que é
muito útil e humilde, preciosa e casta. Pelo
irmão Fogo, pelo qual iluminas a noite, e ele é
belo e jucundo, vigoroso e forte. Pela nossa
irmã e mãe Terra, que nos sustenta e nos
governa, e produz frutos diversos, e coloridas
flores e ervas...
Pelos que perdoam por teu amor...
Bem aventurados os que sustentam a paz....”
Dedico este trabalho aos meus pais, João
Batista e Maria Conceição, pelo amor,
carinho e incentivo que me deram
confiança e tranqüilidade, nesta realização
pessoal e profissional.
AGRADECIMENTOS
À Deus, por me dar força, coragem, sabedoria e entusiasmo para seguir em frente.
Ao meu orientador Prof. Dr. Eloízio Júlio Ribeiro, por sua confiança, amizade,
compreensão, paciência e apoio. À minha co-orientadora Profª. Dra Magali Christe
Cammarota por me receber em seu Laboratório, pelas diretrizes seguras, pela orientação,
apoio, amizade, profissionalismo e companheirismo.
Aos meus irmãos, Flávio, Pedro e Rodrigo, pelo carinho e apoio durante todo o
trabalho.
Ao Aécio, meu namorado, pelo amor, estímulo e compreensão.
Aos meus padrinhos, Ricardo e Emília, pela hospedagem, paciência, carinho e
confiança durante o período que passei no Rio de Janeiro.
Aos companheiros e novos amigos, Gisele, Suzana, Andréia, Alessandra, José Carlos,
Angela, Sandro, Larissa, que me acolheram no Laboratório de Tecnologia Ambiental,
EQ/UFRJ, e estiveram ao meu lado nos momentos de alegria e tristeza, no decorrer de oito
meses.
Aos professores da Faculdade de Engenharia Química da UFU, pela formação
profissional. Ao curso de mestrado da Faculdade de Engenharia Química pela oportunidade e
incentivo no meu crescimento profissional e pessoal.
A todos que direta ou indiretamente colaboraram na execução deste trabalho.
RESUMO
Lista de Figuras........................................................................................................ i
ii
iii
iv
1
3
3
5
7
2.4 - O soro como poluente ..................................................................................... 9
11
2.5.1 - Microbiologia e bioquímica do processo anaeróbio................... 14
2.5.2 - Controle da digestão anaeróbia.................................................. 19
20
21
2.5.2.3 - Efeito de nutrientes......................................................... 22
2.5.2.4 - Efeito da presença de compostos químicos.................... 24
2.6 - Remoção de gordura ....................................................................................... 26
2.7 - Hidrólise alcalina............................................................................................. 27
29
3.1 - Efluente - soro de queijo.................................................................................. 29
29
3.3 - Biodegradabilidade anaeróbia do soro de queijo............................................. 31
34
34
34
34
34
35
36
4.1 - Caracterização do soro de queijo..................................................................... 36
4.2 - Hidrólise alcalina da gordura........................................................................... 36
40
52
52
5.2 - Sugestões......................................................................................................... 53
54
58
59
60
62
65
ANEXO 5 - Determinação de Sólidos Voláteis Suspensos (SVS).......................... 79
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Comparação da conversão biológica nos sistemas aeróbios e anaeróbios..
13
Figura 2.2 - Representação do processo de digestão anaeróbia......................................
14
Figura 2.3 - Seqüências metabólicas e grupos microbianos envolvidos na digestão
anaeróbia.........................................................................................................................
16
Figura 2.4 - Reação de saponificação de um triacilglicerol............................................
28
Figura 4.1 - Diagrama de Pareto dos efeitos calculados a partir do planejamento
experimental. x
1
: tempo de hidrólise e x
2
: concentração de NaOH.............................. 38
Figura 4.2 - Superfície de resposta do aumento da DQO
S
em função do tempo de
reação (x
1
) e da concentração de NaOH (x
2
)..................................................................
39
Figura 4.3-a Produção de biogás no meio de controle....................................................
42
Figura 4.3-b Produção de biogás no meio hidrolisado...................................................
42
Figura 4.4 - Evolução da produção de biogás nos ensaios controle e hidrolisado com
meios sem acréscimo de gordura....................................................................................
43
Figura 4.5 - Evolução da produção de biogás nos ensaios controle e hidrolisado com
meios contendo 10% do meio rico em gordura..............................................................
43
Figura 4.6 - Evolução da produção de biogás nos ensaios controle e hidrolisado com
meios contendo 30% do meio rico em gordura..............................................................
44
Figura 4.7 - Evolução da produção de biogás nos ensaios controle e hidrolisado com
meios contendo 50% do meio rico em gordura..............................................................
44
Figura 4.8 - Evolução da produção de biogás nos ensaios controle e hidrolisado com
meios contendo 70% do meio rico em gordura..............................................................
45
Figura 4.9 - Evolução da produção de biogás nos ensaios controle e hidrolisado com
meios contendo 100% do meio rico em gordura............................................................
45
Figura 4.10 - Taxa média de produção de biogás nos meios com e sem a etapa de
pré-hidrólise em função da DQO inicial.........................................................................
46
Figura 4.11 - Produção máxima de biogás nos ensaios com meio controle e
hidrolisado sob diferentes concentrações de gordura.....................................................
48
Figura 4.12-a - Evolução da produção de biogás nos ensaios com meio contendo alto
teor de gordura com e sem a etapa de pré-hidrólise alcalina..........................................
49
Figura 4.12-b - Produção de metano nos ensaios com meio contendo alto teor de
gordura com e sem a etapa de pré-hidrólise alcalina…………………………..............
49
Figura 4.13 - Evolução do decaimento da DQO
S
residual nos ensaios com meio
contendo alto teor de gordura com e sem a etapa de pré-hidrólise alcalina…………...
50
Figura 4.14 - Taxa de produção de biogás ao longo do tempo para os meios bruto e
hidrolisado, no meio contendo alto teor de gordura.......................................................
51
Figura A.1 - Curva padrão de DQO................................................................................
68
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Produção mundial de leite.......................................................................... 4
Tabela 2.2 - Características microbiológicas, físicas e químicas de diferentes
soros................................................................................................................................
6
Tabela 2.3 - Composição do leite integral, do leite desnatado e do soro........................
7
Tabela 2.4 - Vantagens e desvantagens do processo de tratamento anaeróbio de
resíduos...........................................................................................................................
12
Tabela 2.5 - Composição elementar das arqueas metanogênicas...................................
23
Tabela 2.6 - Concentrações estimuladoras e inibidoras de cátions no processo
anaeróbio.........................................................................................................................
24
Tabela 2.7 - Composição média do leite de vaca............................................................
26
Tabela 3.1 - Variáveis independentes e níveis de variação para o planejamento
experimental....................................................................................................................
30
Tabela 3.2 - Matriz de planejamento..............................................................................
31
Tabela 3.3 - Experimentos com concentrações crescentes de soro e gordura
hidrolisada (soro hidrolisado).........................................................................................
32
Tabela 3 4 - Experimentos controle com meio reconstituído e gordura não
hidrolisada. (soro controle).............................................................................................
33
Tabela 4.1 - Caracterização do soro in natura................................................................
36
Tabela 4.2 - Resultados de aumento da DQO
S
obtidos nos experimentos do
planejamento fatorial 3
2
..................................................................................................
37
Tabela 4.3 - DQO
T
(mg O
2
/L), DQO
S
(mg O
2
/L) do soro reconstituído e hidrolisado a
0,1% (m/v) de NaOH, em 15 horas de hidrólise alcalina.............................................. 40
Tabela 4.4 - Resultados de DQO, iniciais e finais, e volume de biogás (valores
médios das triplicatas) nos ensaios com e sem hidrólise alcalina...................................
41
Tabela 4.5 - Taxas de produção de biogás no início dos experimentos e após a fase
lag intermediária.............................................................................................................
47
RESUMO
O soro de queijo representa o mais importante rejeito da indústria de laticínios,
devido principalmente ao expressivo volume gerado. O soro é um substrato
problemático sob o ponto de vista ambiental, pois apresenta elevados teores de
carboidratos, proteínas e gorduras, que lhe conferem uma Demanda Química de
Oxigênio cerca de cem vezes maior que a do esgoto doméstico. Uma alternativa de
tratamento do mesmo seria a fermentação anaeróbia, através da qual se reduziria seu
impacto poluidor, além de possibilitar a recuperação de energia do biogás formado.
No entanto, a baixa taxa de biodegradação das gorduras presentes no soro dificulta o
tratamento anaeróbio, reduzindo a transferência de massa, levando à perda de
biomassa e até o colapso do reator. Neste contexto, o trabalho teve como objetivo
avaliar o efeito de uma etapa preliminar de hidrólise alcalina das gorduras sobre a
biodegradação anaeróbia do soro. Um planejamento experimental fatorial 3
2
,
considerando-se como variáveis independentes os fatores tempo e a concentração de
NaOH indicou as melhores condições de hidrólise como sendo 0,1% de NaOH,
tempo de reação de 15 h a 35°C e 200 rpm. No estudo da biodegradabilidade do soro
foi empregado como inóculo um lodo coletado em um reator anaeróbio de tratamento
de efluentes de uma indústria alimentícia. A remoção de DQO e a produção de
biogás foram monitoradas ao longo do tempo, mediante diferentes concentrações da
solução de soro no meio basal. A remoção de DQO e a produção de biogás foram
mais elevadas nos experimentos com a solução previamente hidrolisada,
especialmente para maiores teores de solução de soro. Estes resultados mostram que
a hidrólise alcalina pode ser uma alternativa no tratamento biológico de efluentes
com altos teores de gordura.
Palavras-chave: hidrólise alcalina, soro de leite, gordura, biodegradação anaeróbia.
ABSTRACT
The cheese whey represents the most important reject of the industry of dairy products,
mainly due to its expressive generated volume. The cheese whey is a problematic substrate
under the environmental point of view, presenting high amounts of carbohydrates, proteins
and fats, giving it a chemical demand of oxygen of approximately a hundred times larger than
the one of the domestic waste. An alternative for its treatment would be the anaerobic
fermentation, which reduces its pollutant impact, making possible even the recovery of the
energy from the formed biogas. However, the low biodegradation rate of the fats in the cheese
whey difficulties the anaerobic treatment, reducing the mass transfer, leading to biomass loss
and to the collapse of the reactor. In this context, this work had as objective to evaluate the
effect of the preliminary stage from the alkaline hydrolyses of the fats in the anaerobic
biodegradation of the cheese whey. A complet experimental design, being considered as the
independent variables factors as time and the concentration of NaOH indicated the best
hydrolyses conditions as 0,1% of NaOH, reaction time at 15h in 35°C and 200 rpm. In the
study of the biodegradability of the cheese whey was used as inoculum a sludge colleted in a
anaerobic reactor from the effluents treatment of a food industry. The COD removal and the
biogas production were monitored by time, in different concentrations of the cheese whey
solution in the basal medium. The removal of COD and the biogas production were higher in
the experiments with the previously hydrolyzed solutions, especially for larger concentrations
of cheese whey. These results shows that the alkaline hydrolyzes may be an alternative in the
biological treatment of effluents with high fat concentration.
Capítulo 1 – Introdução 1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
A situação das águas no Brasil e no mundo é muito grave já que rios, reservatórios,
praias e baías nas proximidades das maiores áreas urbanas encontram-se poluídos em
decorrência do destino inadequado dado a esgotos, efluentes industriais e resíduos sólidos.
Os problemas mais graves na área de poluição dos sistemas hídricos no País podem ser
assim descritos: poluição por esgotos domésticos; industrial; disposição dos resíduos sólidos;
origem agrícola; acidental; eutrofização de lagos e represas; salinização de rios e açudes; por
mineração e por falta de proteção dos mananciais superficiais e subterrâneos.
Os nutrientes presentes nos esgotos urbanos e nos insumos agrícolas têm, por outro
lado, aumentado o problema de eutrofização de lagos, represas, estuários e baías. A
eutrofização impede o aproveitamento da água para atividades de lazer e recreação onerando
desta forma o custo de tratamento de água. A eutrofização também está associada a episódios
recorrentes de mortandade de peixes e pode levar à produção de algas tóxicas que trazem
sérios riscos à saúde humana.
Faz-se necessário, portanto, a viabilização de ações que, por um lado, atuem no
equacionamento da diminuição e do controle das fontes de poluição e, por outro lado,
promovam iniciativas de descontaminação dos cursos d’água.
Muitos produtos orgânicos são descartados diariamente, provenientes de esgotos
domésticos, efluentes industriais, atividades agropecuárias, produtos farmacêuticos, descartes
de laboratórios, curtumes, refinarias de petróleo, entre outros.
O lançamento de compostos orgânicos em corpos receptores pode causar sérias
conseqüências, como por exemplo o crescimento de bactérias oxidativas sob o aumento da
concentração de matéria orgânica biodegradável, com conseqüente aumento do consumo de
oxigênio. Um curso d’água desprovido de oxigênio dissolvido ocasiona a morte dos
organismos aeróbios e praticamente impossibilita o uso de suas águas para múltiplos usos e
finalidades.
Inúmeras são as indústrias com alto poder poluidor, que sem uma política adequada de
racionalização de seus insumos, reaproveitamento ou descarte adequado de seus resíduos,
contribuem significativamente para a destruição de ecossistemas. Dentre elas, encontram-se
Capítulo 1 – Introdução 2
os laticínios, fonte geradora de um efluente líquido altamente poluente devido a presença do
soro de queijo.
O Brasil, além de ser considerado um consumidor com grande potencial de
crescimento para os produtos do soro, é um país que por sua expressiva produção de queijo
(625 mil toneladas em 1999), produz uma grande quantidade desta matéria-prima, que ainda é
muito pouco aproveitada.
O soro de queijo é um subproduto das indústrias de laticínio que, apesar de ser
altamente biodegradável, é um substrato problemático sob o ponto de vista ambiental, pois
apresenta uma demanda química de oxigênio cerca de cem vezes maior que a do esgoto
doméstico.
Apesar de possuir inúmeras possibilidades de reutilização, como na produção de
outros queijos, bebidas lácteas, ração animal e fertilizantes entre outros, o mesmo apresenta
um problema a ser ressaltado, que é a quantidade em que é produzido, pois grande parte do
volume de leite nos laticínios é destinada à fabricação de queijos. Além do mais, em média,
para cada kilograma de queijo produzido, 9 kilogramas de soro são gerados
Além disso, os sistemas anaeróbios encontram uma grande aplicabilidade no Brasil,
devido às suas vantagens inerentes e às condições climáticas favoráveis de temperatura.
Os processos biológicos de tratamento, quando devidamente projetados e operados,
mostram-se altamente eficientes na redução da carga orgânica de rejeitos industriais
biodegradáveis. Dentre esses processos, destaca-se o tratamento anaeróbio que, além de
possuir inúmeras vantagens em relação aos tratamentos aeróbios convencionais, produz o gás
metano, que pode ser utilizado por essas indústrias como fonte geradora de energia.
Esse trabalho teve como objetivo estudar a redução da carga poluidora do soro de
queijo, empregando-se primeiro uma etapa de pré-tratamento do soro pela hidrólise alcalina
para solubilização das gorduras e, em seguida, uma etapa de biodegradação anaeróbia
utilizando reator batelada.
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 3
CAPÍTULO 2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1- INTRODUÇÃO
Uma relação harmoniosa entre processos produtivos e a proteção do meio ambiente
vão além das relações legais. Hoje ela representa uma oportunidade de negócios que elimina
desperdícios, gera empregos, torna empresas mais competitivas e assegura o desenvolvimento
com o uso dos recursos naturais. Assim, a utilização de tecnologias limpas vem substituir o já
ultrapassado conceito de controle da poluição, exigindo mudanças nos processos e produtos
de forma a evitar a geração de resíduo. O princípio da tecnologia limpa tem como objetivo a
satisfação da sociedade por produtos que sejam fabricados com materiais e processos que não
ofereçam risco à biodiversidade do planeta. Desta maneira, existe uma crescente preocupação
para a redução do lançamento de resíduos industriais ao meio ambiente e economia no uso de
materiais, água e energia (TRINDADE, 2002).
No Brasil o consumo anual de queijos é de 2,3 kg per capita. Este valor vem
crescendo, mas ainda é pequeno quando comparado ao da Argentina ou de países europeus. O
estado de Minas Gerais é o maior produtor brasileiro de queijos, com cerca de 200 t/ano, e
responde pela metade do consumo nacional. A maior parte dessa produção é feita em
pequenas e médias queijarias. Em algumas regiões do estado, o setor queijeiro emprega cerca
de 30 mil famílias de pequenos proprietários rurais e movimenta mensalmente algo em torno
de 10 milhões de reais. Dados de 2001 indicam que a produção leiteira no Brasil é de cerca de
20 milhões de litros, sendo 60% deste total destinado à fabricação de queijos, a qual atinge
450 mil toneladas anuais. Estes dados ilustram bem a importância social e econômica do
produto (PERRY, 2003).
A Tabela 2.1 apresenta a produção mundial de leite de acordo com pesquisa realizada
pela Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação (FAO, 2005).
Na América Latina, os maiores produtores de queijo são o Brasil e a Argentina. Estes
dois países são responsáveis por quase toda produção do MERCOSUL e por considerável
parte da produção da América Latina. A produção brasileira de queijos em 1998 foi de 425
mil toneladas, que correspondeu a 3,5% da produção mundial, enquanto a produção Argentina
foi de 420 mil toneladas (EMBRAPA, 2001).
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 4
A cidade de Uberlândia encontra-se na região do Triângulo Mineiro onde predominam
atividades agropecuárias. A Cooperativa Agropecuária Ltda. de Uberlândia (CALU), a maior
da cidade, processa aproximadamente 100.000 litros de leite por dia, no período de safra e
30.000 L/dia no período de entre safra, tendo como principais produtos finais: leite dos tipos
C e B (integral e desnatado); manteiga; queijo dos tipos mussarela, minas frescal, ricota, prato
e queijo parmesão ralado (XAVIER et al., 1998).
Tabela 2.1 - Produção mundial de leite.
PRODUÇÃO MUNDIAL DE LEITE (em milhões de toneladas)
PAÍS 2002 2003* 2004**
União Européia 126,7 126,8 127,4
Índia 84,6 88,0 91,5
Estados Unidos 77,0 77,1 77,2
Federação Russa 33,5 33,2 32,0
Paquistão 27,7 28,4 29,1
Brasil 22,8 23,5 24,2
China 14,0 17,5 21,0
Nova Zelândia 13,9 14,2 14,6
Ucrânia 14,1 13,6 13,2
Polônia 12,0 12,1 12,2
México 9,6 9,9 10,3
Austrália 11,3 10,3 9,9
Argentina 8,2 7,6 7,8
Total 595,3 601,8 606,0
(*) Estimativa e (**) Previsão
Fonte: Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação (FAO, 2005).
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 5
2.2- SORO DE QUEIJO
Soro de queijo é a parte líquida do leite, após a precipitação da caseína, seja para a
fabricação desta, seja para a produção de queijos, sendo um subproduto do processamento de
queijo, caseína e outros produtos de leite acidificado. Aproximadamente 75 a 85% do volume
do leite destinado à fabricação de queijos resulta em soro. O soro de queijo contém a metade
do extrato seco do leite, representado, em sua maior parte, por lactose, proteínas solúveis,
vitaminas e sais minerais (ZADOW, 1997).
Esse subproduto, o soro, contém de 6,0-6,5% de sólidos totais, sendo cerca de 4,5-
5,0% de lactose, 0,8-1,1% de proteína, 0,03-0,1% de gordura, 0,5-0,8% de matéria mineral e
0,2-0,8% de ácido láctico (MORESI, 1994). O soro também contém ácido cítrico, compostos
nitrogenados não protéicos (uréia e ácido úrico) e vitaminas do complexo B (COTON, 1976
apud SISO, 1996).
Normalmente, as proteínas do soro compreendem 12% de α- lactoalbumina, 50% de
β-lactoglobulina, 5% de albumina de soro bovino, 10% de imunoglobulina e 20% de
proteases-peptona, que é um produto da degradação proteolítica da caseína. O soro contém
outros tipos de proteínas, sendo a lactoferrina, serotransferrina e β-microglobulina as mais
significantes, entre outros (RIBEIRO, 2000).
As características microbiológicas, físicas e químicas do soro doce em pó, soro ácido e
soro com teor de lactose reduzido são apresentadas na Tabela 2.2 a seguir:
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 6
Tabela 2.2 - Características microbiológicas, físicas e químicas de diferentes soros.
ANÁLISES MICROBIOLÓGICAS TÍPICAS
Soro Doce Soro Ácido Soro c/ teor de lactose
reduzido
Contagem total de
mesófilos
≤ 50.000/g ≤ 50.000/g ≤ 50.000/g
Coliformes
≤ 10/g ≤ 10/g ≤ 10/g
E.coli negativo/g negativo/g negativo/g
Salmonella negativo/100g negativo/100g negativo/100g
Listeria negativo negativo negativo
Coagulase positivo positivo positivo
Staphylococcus negativo negativo negativo
OUTRAS CARACTERÍSTICAS
Acidez titulável 0,10-0,15% 0,35-0,44% ---
Cor esbranquiçado a
creme
esbranquiçado a creme creme a creme escuro
Sabor
sabor normal de
soro
sabor normal de soro,
ligeiramente ácido
sabor normal do soro
Fonte: Manual de Referências para Produtos de Soro dos EUA, 1997.
Dependendo do tipo de queijo que está sendo fabricado, existem dois tipos de soro:
• Soro doce – proveniente da coagulação enzimática do leite em pH próximo a 6,7. O
soro doce é obtido de queijos tipo cheddar, minas frescal, minas padrão, mussarela, prato e
suíço. Sua acidez titulável em ácido láctico é de 0,15 a 0,18%, correspondente a um pH de 6,3
a 6,7 (PONSANO et al., 1992). O soro doce contém menos ácido láctico e apresenta
percentuais de lactose e de cálcio mais elevados em comparação ao soro ácido (Manual de
Referências para Produtos de Soro dos EUA, 1997).
• Soro ácido – resultante da manufatura de caseína ou de queijos com leites coagulados
inicialmente por ácido, tais como o do tipo cottage, quarq, requeijão e ricota. Esse tipo de
soro apresenta uma acidez titulável de 0,5 a 0,6% em ácido láctico e pH de 4,6 a 4,7
(PONSANO et al., 1992). No caso da fabricação de queijo cottage, uma quantidade
significativa da lactose do leite é convertida em ácido láctico antes que o soro seja separado
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 7
da massa. À medida que se aumenta a acidez, uma quantidade crescente dos sais de cálcio no
leite se dissocia, o que provoca a solubilização do cálcio. Além disso, a quantidade de cálcio
retido pela caseína é menor. Sendo assim, a fabricação do queijo tipo cottage dá origem a um
tipo de soro de acidez mais elevada, teor de lactose mais baixo, teor de cálcio mais alto e
perfil de minerais diferente do soro do tipo doce (Manual de Referências para Produtos de
Soro dos EUA, 1997).
Uma comparação entre as composições de leite integral, do leite desnatado e do soro é
apresentada na Tabela 2.3.
Tabela 2.3 - Composição do leite integral, do leite desnatado e do soro.
COMPONENTES
(%)
LEITE
INTEGRAL
LEITE
DESNATADO
SORO
DOCE
SORO
ÁCIDO
Umidade 87,4 90,4 93,7 93,5
Proteína 3,5 3,6 0,8 0,7
Gordura 3,5 0,1 0,5 0,04
Lactose 4,8 5,1 4,9 4,9
Cinzas 0,7 0,7 0,5 0,8
Fonte: USDEC, 2000.
2.3 - USO E DISPOSIÇÃO DO SORO
Segundo dados da Associação Brasileira das Indústrias de Queijo, ABIQ, a produção
anual de queijos no Brasil tem-se mantido em cerca de 350.000 toneladas nos últimos anos, o
que corresponde à produção de cerca de 3,5 milhões de toneladas de soro de queijo. Soro este
utilizado principalmente como alimento animal na sua forma bruta ou processado em pó para
a produção de biscoitos e alimentos lácteos (PONSANO & CASTRO-GOMEZ, 1995).
Para o uso economicamente viável do soro de queijo, é necessário, além de elevados
custos tecnológicos e de equipamentos, grandes quantidades de soro – mais de 200.000 L/dia
(MADRID et al., 1995). Esta realidade é explicada pela necessidade de plantas industriais
com tamanhos que permitam economia na escala de produção e a obtenção de derivados do
soro com preços competitivos no mercado.
Uma solução possível para contornar o problema de escala na produção de soro seria a
utilização do mesmo para alimentação animal, o que já ocorre, principalmente com suínos.
Esta solução, apesar de aparentemente simples e pouco dispendiosa, possui o inconveniente
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 8
de se perder o potencial econômico contido no soro de queijo, principalmente no que se refere
às proteínas, lactose e lactatos presentes.
Uma outra solução seria a união das pequenas queijarias de uma determinada região
com o propósito da utilização do soro produzido em uma instalação única, como uma
cooperativa, e assim conseguirem não só uma quantidade de soro que permita o
processamento, mas também a obtenção de capital para compra de equipamentos e
desenvolvimento de tecnologia (TRINDADE, 2002).
O soro pode ainda ser usado como substrato para produção de extrato de leveduras,
usado como realçador do sabor de alimentos em substituição ao monoglutamato de sódio
(RÉVILLION et al., 2000). Uma outra possibilidade é o aproveitamento da lactose contida no
soro como substrato para leveduras na produção de etanol. Desde 1930, o soro é empregado
industrialmente para produção de ácido láctico e lactatos através de fermentação, sendo hoje o
substrato mais comum para esse fim. O soro pode ainda ser fermentado como alternativa para
a redução de sua carga poluidora, produzindo biogás e biomassa, que podem ser utilizados
como fonte de energia (PONSANO & CASTRO-GOMEZ, 1995).
O soro é uma fonte econômica de proteínas que oferece uma série de benefícios
funcionais em aplicações alimentícias. Produtos de soro, incluindo lactose, melhoram a
textura, realçam o sabor e a cor, emulsificam e estabilizam, melhoram a dispersibilidade em
misturas secas ao mesmo tempo em que atuam como agente antiaglutinante, ampliam a vida
de prateleira e possuem ainda uma série de outras propriedades que aumentam a qualidade
final de produtos alimentícios (Manual de Referências para Produtos de Soro dos EUA,
1997).
Entende-se como disposição o lançamento sobre o campo, sistemas de tratamento de
efluentes, bombeamento para um curso d’água ou outra destinação semelhante
(KOSIKOWSKI, 1979 apud SISO, 1996). Em países desenvolvidos industrialmente, a
disposição está se tornando cada vez menos comum. Porém, em muitos países, a disposição
ainda representa a mais freqüente destinação dada ao soro de queijo (TORQUETTI et al.,
1999 apud TRINDADE, 2002).
No Brasil, ainda é comum o lançamento dos efluentes das indústrias de laticínios
contendo soro diretamente nos cursos d’água sem qualquer tratamento prévio. Entretanto,
devido a uma maior atuação dos órgãos ambientais, essa é uma prática cada vez menor. Esta
mudança de comportamento é notadamente percebida no estado de Minas Gerais, maior
produtor de queijo e conseqüentemente de soro do país, onde a Fundação Estadual do Meio
Ambiente (FEAM) tem aumentado a fiscalização e buscado, junto aos produtores, soluções
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 9
para a destinação do soro, tendo como objetivo a preservação ambiental conciliada com o
desenvolvimento econômico (TRINDADE, 2002).
Quando o soro é incorporado aos efluentes de um laticínio, ele deixa de ser
considerado por suas qualidades químicas e nutricionais e passa a ser analisado apenas por
seu potencial poluidor, em função do volume e carga orgânica. As outras fontes de efluentes
líquidos em uma indústria de laticínio são águas de limpeza de equipamentos e piso, perda de
leite em ajustes de equipamentos, vazamento em linhas de transporte, erros operacionais dos
processos e subprodutos de processos como o leitelho, um subproduto da elaboração da
manteiga (TRINDADE, 2002).
2.4 - O SORO COMO UM POLUENTE
O soro lácteo, em si, não é poluente, mas quando lançado em um curso d’água provoca
um enorme efeito poluidor, devido ao consumo do oxigênio da água. As bactérias e outros
microrganismos da água utilizam alguns dos componentes do soro (em especial a lactose –
aproximadamente 70% dos sólidos totais) como substrato e, para fazê-lo, necessitam de
oxigênio dissolvido. Este oxigênio retirado da água falta aos peixes e plantas aquáticas,
podendo levá-los à morte. Assim, a gravidade da poluição devida ao soro lácteo vem do fato
de que ele apresenta uma demanda bioquímica de oxigênio (DBO) muito elevada, de 30.000 a
60.000 mg O
2
/L, quando comparada por exemplo aos efluentes industriais que podem ter uma
DBO na faixa de 500 mg/L a 3.000 mg O
2
/L, ou chorume, o efluente da drenagem do
tratamento do lixo urbano que pode ter DBO maior que 3.000 mg O
2
/L (PORTO, 2001).
O potencial poluidor do soro de queijo é, aproximadamente, 100 vezes maior que o do
esgoto doméstico. Porém, pelo alto custo de implantação, a instalação de uma planta de
tratamento biológico do soro de queijo, muitas vezes, torna-se inviável para a maioria das
indústrias de laticínios (CONDACK, 1993).
A disposição do soro de queijo, portanto, conduz a sérios problemas ambientais e de
poluição das águas. Se descartado no solo, compromete a sua estrutura físico-química e
diminui o rendimento de colheita; se descartado nos cursos d’água reduz a vida aquática
devido à redução do oxigênio dissolvido na água (PONSANO et al., 1992).
Consequentemente, grande parte do soro de queijo produzido em diversas partes do
mundo ainda é incorporado às águas residuais dos laticínios (MARWANA e KENNEDY,
1988), sendo a principal fonte poluidora do meio ambiente gerada por esse setor.
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 10
Existe diferente tipo de tratamento de efluentes, sendo cada um para um processo
específico, isto é, o tipo de tratamento é definido após a caracterização do efluente final a ser
tratado. Portanto, pode-se aplicar desde tratamentos "tipicamente naturais" em que não se
utiliza produto químico, mais utilizados em laticínios, até os tratamentos não naturais, onde
são empregados produtos químicos. Logo, pode-se observar as seguintes distribuições entre os
tipos de tratamento existentes:
Processos Químicos: Métodos de tratamento nos quais a remoção ou conversão de
contaminantes ocorre pela adição de produtos químicos ou devido a reações químicas.
Processos Físicos: Métodos de tratamento nos quais predomina a aplicação de forças
físicas (ex: gradeamento, filtração).
Processos Físico-químicos: Métodos de tratamento nos quais se faz uso conjunto dos
processos físicos e químicos citados anteriormente.
Processos Biológicos: Métodos de tratamento nos quais a remoção de contaminantes
ocorre por meio de atividade biológica (ex: desnitrificação, remoção de matéria orgânica
carbonácea).
Dentre os processos acima citados, os processos biológicos são os mais empregados
no tratamento de despejos de laticínios (MultiDraw Eng. e Proj. Ind. e Ambientais S/C Ltda,
2005). Os processos biológicos podem ser divididos em aeróbios (ocorrem na presença de O
2
)
e anaeróbios (ocorrem na ausência de O
2
), cada qual com suas peculiaridades, oferecendo
isoladamente maior ou menor eficácia dependendo da caracterização do efluente a ser tratado.
O tratamento de efluentes ricos em matéria orgânica, como é o caso dos efluentes dos
laticínios que contêm soro de queijo, é obtido através da utilização de processos aeróbios,
anaeróbios ou de arranjos contendo processos aeróbios e anaeróbios. O objetivo do tratamento
é a remoção da matéria orgânica presente no efluente líquido, que é feita por intermédio de
transformações bioquímicas conduzidas por microrganismos em condições ambientais e
nutricionais favoráveis. O processo de tratamento é realizado pelo contato entre os
organismos, em sua maior parte bactérias, e a matéria orgânica presente no efluente, que se
torna substrato para o desenvolvimento destes microrganismos (MINAS AMBIENTE, 1998).
Os processos anaeróbios e aeróbios são definidos em função das condições de
oxigenação do meio líquido, que dará condições mais favoráveis ao desenvolvimento de
organismos, anaeróbios e aeróbios, mais apto a se desenvolverem no meio fornecido. Na
prática, procura-se combinar os processos anaeróbios e aeróbios, como ocorre nas lagoas
facultativas, de acordo com as características do efluente e de modo a obter aumento de
eficiência e redução dos custos a partir dos recursos disponíveis. É possível ainda, o uso de
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 11
sistemas de tratamento em série, que utilizam dois reatores anaeróbios ou aeróbios, e sistemas
conjugados, que fazem uso de um sistema anaeróbio, seguido de um tratamento aeróbio
(TRINDADE, 2002).
2.5 - TRATAMENTO ANAERÓBIO
A digestão anaeróbia para tratamento de resíduos foi aplicada pela primeira vez há
pouco mais de cem anos na França (1881), com a descoberta da fossa séptica por Louis
Mouras. Naquela época, outros sistemas anaeróbios foram concebidos e aplicados como, por
exemplo, o tanque de Imhoff. Porém, com o desenvolvimento dos eficientes sistemas aeróbios
no início deste século, restringiu-se a aplicação desse tipo de tratamento (FLORÊNCIO,
1999).
Nas décadas de 50 e 60, esse processo era empregado, basicamente, na estabilização
do excesso de lodo produzido no sistema de digestão aeróbia, pois este lodo apresentava
grande quantidade de matéria orgânica instável. Assim, o digestor anaeróbio, nesta época,
tinha como finalidades destruir ou reduzir a níveis previamente estabelecidos os
microrganismos patogênicos; estabilizar total ou parcialmente a matéria orgânica presente no
lodo; reduzir o volume através de fenômenos de liquefação, gaseificação e adensamento e
permitir a sua utilização, quando estabilizado convenientemente, como fonte de húmus ou
condicionador de solo para fins agrícolas (CHERNICHARO, 1997).
No Brasil, constata-se que o conhecimento no campo anaeróbio é bastante elevado,
apesar de ainda ser localizado. Nos últimos anos, diversas instituições têm se dedicado a
trabalhos de pesquisa aplicados nessa área, tendo contribuído significativamente para a
evolução e uma maior disseminação dessa tecnologia no país (CHERNICHARO, 1997).
A tecnologia é simples, de baixo custo e com algumas vantagens quanto à operação e à
manutenção, conforme apresentado na Tabela 2.4.
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 12
Tabela 2.4 - Vantagens e desvantagens do processo de tratamento anaeróbio de resíduos.
VANTAGENS DESVANTAGENS
• baixa produção de sólidos, cerca de 5 a
10 vezes inferior à que ocorre nos
processos aeróbios;
• baixa demanda de área, reduzindo os
custos de implantação;
• produção de metano, um gás
combustível de elevado poder calorífico
(9000 kcal/m
3
)
• possibilidade de preservação da
biomassa, sem alimentação da mesma
ao reator, por vários meses;
• tolerância a elevadas cargas orgânicas;
• aplicabilidade em pequena e grande
escala;
• baixo consumo de nutrientes;
• baixo consumo de energia elétrica,
(menores custos operacionais)
• as bactérias anaeróbias são
susceptíveis à inibição por um grande
número de compostos;
• a partida do processo pode ser lenta
na ausência de lodo adaptado;
• alguma forma de pós-tratamento é
usualmente necessária;
• a bioquímica e a microbiologia da
digestão anaeróbia são complexas e
precisam ser mais estudadas;
• possibilidade de geração de efluente
com aspecto desagradável;
• remoção insatisfatória de nitrogênio,
fósforo e patogênicos.
Fonte: Adaptado de Chernicharo & Campos (1995); Von Sperling (1995); Lettinga
et al
. (1996).
A Figura 2.1 apresenta uma comparação da digestão anaeróbia em relação ao
tratamento aeróbio, com ênfase na produção de biogás e de sólidos. Segundo
CHERNICHARO (1997), nos sistemas anaeróbios a maior parte do material orgânico
biodegradável presente no efluente é convertida em biogás (cerca de 70 a 90 %), que é
removida da fase líquida na forma de gás, enquanto que nos processos aeróbios apenas 40 a
50 % é convertida em CO
2
. Além disso, o sistema aeróbio apresenta uma grande quantidade
de lodo excedente no sistema (cerca de 50 a 60 %) quando comparado ao anaeróbio (cerca de
5 a 15 %).
Devido ao fato de operar com elevadas cargas orgânicas, a fermentação anaeróbia
utiliza reatores menores e produz uma grande redução na quantidade de biomassa gerada,
quando comparada ao tratamento aeróbio, aplicado ao mesmo tipo de efluente. Estes fatores,
associados aos baixos custos de implantação e operação podem compensar alguns
inconvenientes do sistema anaeróbio, tais como o tempo prolongado na partida do reator e a
obtenção de biomassa ativa (CHERNICHARO, 1997).
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 13
Figura 2.1 - Comparação da conversão biológica nos sistemas aeróbio e anaeróbio.
Fonte: Adaptado de CHERNICHARO (1997).
Entre outras vantagens do processo anaeróbio, podemos ainda citar a taxa de aplicação
de carga orgânica de 5 a 10 vezes maior e a redução de 5 a 20 % na quantidade de nutrientes
requeridos quando comparados ao processo aeróbio. Outro fator diferencial é o fato da
biomassa anaeróbia poder ser preservada por meses ou anos sem sérias deteriorações na sua
atividade (SPEECE, 1996).
O fator econômico é um dos maiores aliados do tratamento anaeróbio, já que não
requer nenhum tipo de aeração, enquanto o tratamento aeróbio consome de 500 a 2.000
kwh/1.000 kg de matéria orgânica (DQO) degradada (SPEECE, 1996). Além disso, o metano
é um dos produtos finais da digestão anaeróbia, que pode gerar cerca de 12.660,67 kJ/1.000
kg de DQO removida, tornando-se uma fonte alternativa de energia para o sistema, o que
pode resultar num processo economicamente mais vantajoso e atraente.
Recomenda-se o tratamento biológico anaeróbio para os efluentes de laticínios, já que
estes apresentam uma composição rica em compostos orgânicos biodegradáveis. Há casos em
que esses efluentes não apresentam alguns nutrientes em quantidade satisfatória para o
desenvolvimento dos microrganismos, fazendo-se necessário à complementação dos mesmos
antes do tratamento biológico. A função de um processo de tratamento biológico é remover a
matéria orgânica através do metabolismo de oxidação e de síntese celular (BRAILE, 1979).
O processo anaeróbio consiste na estabilização da matéria orgânica, pela ação de
bactérias anaeróbias, convertendo-a em metano e compostos inorgânicos como amônia e
DQO
100 %
Efluente
(5-10 %)
Lodo
(50-60 %)
CO
2
(40-50 %)
DQO
100 %
Lodo
(5-15%)
Biogás
(70-90%)
Efluente
(10-30%)
REATOR AERÓBIO
REATOR ANAERÓBIO
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 14
dióxido de carbono (CAMMAROTA, 2003) e pode ser resumidamente apresentado conforme
a Figura 2.2.
Figura 2.2 - Representação do processo de digestão anaeróbia
Fonte: CAMMAROTA, 2003.
2.5.1- MICROBIOLOGIA E BIOQUÍMICA DO PROCESSO ANAERÓBIO
A digestão anaeróbia é um processo biológico natural, que ocorre na ausência de
oxigênio molecular, no qual populações bacterianas interagem para promover a fermentação
estável e auto-regulada da matéria orgânica, da qual resultam, principalmente, os gases
metano e dióxido de carbono. De maneira geral, o doador de elétrons é uma molécula
orgânica ou inorgânica e o aceptor final de elétrons é normalmente uma molécula inorgânica
que não o oxigênio, podendo, algumas vezes, ser uma molécula orgânica. As diversas
bactérias presentes na flora que compõe o lodo anaeróbio seguirão diferentes vias
metabólicas, dependendo da composição da matéria-prima empregada (FORESTI, 1994).
A digestão anaeróbia pode ser considerada como um ecossistema onde diversos
grupos de microrganismos trabalham interativamente na conversão da matéria orgânica
complexa em metano, gás carbônico, água, gás sulfídrico e amônia, além de novas células
bacterianas.
Os microrganismos que participam do processo de decomposição anaeróbia podem ser
divididos em três importantes grupos de bactérias, com comportamentos fisiológicos distintos:
• O primeiro grupo é composto de bactérias fermentativas que transformam, por
hidrólise, os polímeros em monômeros, e estes em acetato, hidrogênio, dióxido de carbono,
ácidos orgânicos de cadeia curta, aminoácidos e outros produtos como glicose;
• O segundo grupo é formado pelas bactérias acetogênicas produtoras de hidrogênio, o
qual converte os produtos gerados pelo primeiro grupo (aminoácidos, açúcares, ácidos
orgânicos e álcoois) em acetato, hidrogênio e dióxido de carbono;
Consórcio microbiano
Resíduo
heterogêneo
CH
4
CO
2
H
2
H
2
S
NH
3
Novas células
+
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 15
• Os produtos finais do segundo grupo são substratos essenciais para o terceiro grupo,
que por sua vez constitui dois diferentes grupos de arqueas metanogênicas. Um grupo usa o
acetato, transformando-o em metano e dióxido de carbono, enquanto o outro produz metano,
através da redução do dióxido de carbono.
A conversão de matéria orgânica pode ser compreendida como um processo em quatro
etapas: Hidrólise, Acidogênese, Acetogênese e Metanogênese, que podem ser melhor
observadas através do esquema mostrado na Figura 2.3, a qual segue o seguinte esquema
geral:
(1) Bactérias fermentativas (Hidrolíticas e Acidogênicas);
(2) Bactérias acetogênicas obrigatoriamente produtoras de hidrogênio;
(3) Arqueas metanogênicas;
(4) Bactérias homoacetogênicas produtoras de acetato e outros ácidos a partir de H
2
e CO
2
.
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 16
Figura 2.3 - Seqüências metabólicas e grupos microbianos envolvidos na digestão anaeróbia.
Fonte: CAMMAROTA (2003).
CH
4
+ CO
2
CH
4
+ H
2
O
CARBOIDRATOS
ÁCIDOS GRAXOS DE CADEIA
LONGA, ÁLCOOIS
HIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO (1)
PIRUVATO
ACIDOGÊNESE (1)
H
2
+ CO
2
ACETATO
DESIDROGENAÇÃO
ACETOGÊNICA (2)
PROTEÍNAS
LIPÍDEOS
AMINOÁCIDOS
AÇÚCARES
OUTROS
PROPIONATO
BUTIRATO
VALERATO
ACETATO
HIDROGENAÇÃO
ACETOGÊNICA (4)
DESCARBOXILAÇÃO
DO ACETATO (3)
FORMAÇÃO
REDUTIVA DO
METANO (3)
METANOGÊNESE
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 17
a) Hidrólise
Uma vez que as bactérias não são capazes de assimilar a matéria orgânica particulada,
a primeira fase no processo de degradação anaeróbia consiste na hidrólise de materiais
particulados complexos (polímeros) em materiais dissolvidos mais simples (moléculas
menores) os quais podem atravessar as paredes celulares das bactérias fermentativas. Esta
conversão de materiais particulados em materiais dissolvidos é conseguida através da ação de
exoenzimas excretadas pelas bactérias fermentativas hidrolíticas. Na anaerobiose, a hidrólise
dos polímeros usualmente ocorre de forma lenta, sendo vários os fatores que podem afetar o
grau e a taxa em que o substrato é hidrolisado, tais como (LETTINGA et al., 1996):
• temperatura operacional do reator;
• tempo de residência do substrato no reator;
• composição do substrato (ex.: teores de lignina, carboidrato, proteínas e gordura);
• tamanho das partículas;
• pH do meio;
• concentração de NH
4
+
-N;
• concentração de produtos da hidrólise (ex.: ácidos graxos voláteis).
b) Acidogênese
Os produtos solúveis oriundos da fase de hidrólise são metabolizados no interior das
células das bactérias fermentativas, sendo transformados em diversos compostos mais
simples, os quais são então excretados pelas células. Os compostos produzidos incluem ácidos
graxos voláteis, álcoois, ácido láctico, gás carbônico, hidrogênio, amônia e sulfeto de
hidrogênio, além de novas células bacterianas. Como os ácidos graxos voláteis são o principal
produto dos organismos fermentativos, estes são usualmente designados de bactérias
fermentativas acidogênicas. A acidogênese é efetuada por um grande e diverso grupo de
bactérias fermentativas, a exemplo das espécies pertencentes aos gêneros Clostridium e
Bacteroids. As primeiras constituem uma espécie anaeróbia que forma esporos podendo,
dessa forma, sobreviver em ambientes totalmente adversos. Bactérias do gênero Bacteroids
encontram-se comumente presentes nos tratos digestivos, participando da degradação de
açúcares e aminoácidos. A maioria das bactérias acidogênicas são anaeróbias estritas, mas
cerca de 1% consiste de bactérias facultativas que podem oxidar o substrato orgânico por via
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 18
oxidativa. Isso é particularmente importante, uma vez que as bactérias anaeróbias estritas são
protegidas contra a exposição ao oxigênio eventualmente presente no meio (VAN HAANDEL
& LETTINGA, 1984; LETTINGA et al., 1996).
c) Acetogênese
As bactérias acetogênicas são responsáveis pela oxidação dos produtos gerados na fase
acidogênica em substrato apropriado para as arqueas metanogênicas. Dessa forma, as
bactérias acetogênicas fazem parte de um grupo metabólico intermediário que produz
substrato para as metanogênicas. Os produtos gerados pelas bactérias acetogênicas são o
hidrogênio, o dióxido de carbono e o acetato. Durante a formação dos ácidos acético e
propiônico, uma grande quantidade de hidrogênio é formada, fazendo com que o valor do pH
no meio aquoso decresça. De todos os produtos gerados pelas bactérias acidogênicas, apenas
o hidrogênio e o acetato podem ser utilizados diretamente pelas metanogênicas. Porém, pelo
menos 50% da DQO biodegradável é convertida em propionato e butirato, os quais são
posteriormente decompostos em acetato e hidrogênio pela ação das bactérias acetogênicas.
d) Metanogênese
A etapa final no processo global de degradação anaeróbia de compostos orgânicos em
metano e dióxido de carbono é efetuada pelas arqueas metanogênicas anaeróbias obrigatórias,
em pH de 6,8 a 7,2. As arqueas metanogênicas utilizam somente um limitado número de
substratos, compreendendo ácido acético, hidrogênio/dióxido de carbono, ácido fórmico,
metanol, metilaminas e monóxido de carbono. Em função de sua afinidade por substrato e a
magnitude da produção de metano, as metanogênicas são divididas em dois grupos principais,
um que forma metano a partir de ácido acético ou metanol, e o segundo que produz metano a
partir de hidrogênio e dióxido de carbono, como ilustrado a seguir:
• bactérias utilizadoras de acetato (acetoclásticas ou acetotróficas)
CH
3
COOH :&+
4
+ CO
2
(responsáveis por 70% do metano produzido)
•
bactérias utilizadoras de hidrogênio (hidrogenotróficas)
4 H
2
+ CO
2
:&+
4
+ 2 H
2
O (30%)
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 19
Além das fases descritas anteriormente, o processo de digestão anaeróbia pode incluir,
ainda, uma outra fase, dependendo da composição química do despejo a ser tratado. Despejos
que contenham compostos de enxofre são submetidos à fase de sulfetogênese (redução de
sulfato e formação de sulfetos), conforme descrito a seguir:
e) Sulfetogênese
A produção de sulfetos é um processo no qual o sulfato e outros compostos à base de
enxofre são utilizados como aceptores de elétrons durante a oxidação de compostos orgânicos.
Durante este processo, sulfato, sulfito e outros compostos sulfurados são reduzidos a sulfeto,
através da ação de um grupo de bactérias anaeróbias estritas, denominadas bactérias redutoras
de sulfato (ou bactérias sulforedutoras). As bactérias sulforedutoras são consideradas um
grupo muito versátil de microrganismos, capazes de utilizar uma ampla gama de substratos,
incluindo toda a cadeia de ácidos graxos voláteis, diversos ácidos aromáticos, hidrogênio,
metanol, etanol, glicerol, açúcares, aminoácidos, e vários compostos fenólicos. As bactérias
sulforedutoras dividem-se em dois grandes grupos (VISSER, 1995):
• bactérias sulforedutoras que oxidam seus substratos de forma incompleta até o
acetato. A esse grupo pertencem os gêneros Desulfobulbus, Desulfomonas e a maioria das
espécies dos gêneros Desulfotomaculum e Desulfovibrio.
• bactérias sulforedutoras que oxidam seus substratos completamente até o gás
carbônico. A esse grupo pertencem os gêneros Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosarcina,
Desulfobacterium e Desulfonema.
2.5.2- CONTROLE DA DIGESTÃO ANAERÓBIA
Na digestão anaeróbia é muito importante um controle rigoroso das condições
ambientais, tais como temperatura, pH, nutrientes e toxicidade de compostos químicos, uma
vez que o processo requer uma interação das bactérias fermentativas e metanogênicas . Dessa
forma, o sucesso do processo depende de um balanço delicado do sistema. Atenção especial
deve ser dispensada às arqueas metanogênicas, consideradas mais vulnerávies às mudanças
das condições ambientais.
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 20
2.5.2.1 - EFEITO DA TEMPERATURA
O processo de digestão anaeróbia é afetado pelas condições de operação. A
temperatura é um dos fatores mais importantes e mais extensivamente estudados na digestão
anaeróbia, porque afeta a velocidade das reações químicas e bioquímicas envolvidas no
processo (FORESTI, 1994; LETTINGA et al., 1996).
Como os microrganismos não possuem mecanismos para o controle da sua
temperatura interna, sendo a temperatura do interior da sua célula determinada pela
temperatura ambiente, o seu monitoramento no meio torna-se imperioso. Esse fato é ainda
mais agravante no que diz respeito às arqueas metanogênicas, que apresentam uma
sensibilidade maior às oscilações desta variável no meio.
As faixas de temperatura em que os reatores podem ser operados são as seguintes:
• criofílica: entre 15 e 20°C;
• mesofílica: entre 20 e 45°C;
• termofílica: entre 45 e 65°C.
A maioria dos digestores anaeróbios são projetados na faixa mesofílica (35 a 37°C), o
que é vantajoso para o Brasil, pois são temperaturas próximas à do ambiente. Apesar disso, a
operação na faixa termofílica pode ser atrativa porque aumenta a taxa e o grau de
decomposição da matéria orgânica, melhorando também as características de destruição do
lodo e dos microrganismos patogênicos. No entanto, isto requer alto consumo de energia,
produz um efluente de baixa qualidade e é instável sob o ponto de vista biológico.
De acordo com HENZE e HARREMÕES (1983), para valores de temperatura abaixo
de 30° C, a taxa de crescimento bacteriano decresce a uma taxa de 11% por 1°C. A
temperaturas baixas, a fração de sólidos orgânicos que pode ser metabolizada no processo é
reduzida. A digestão anaeróbia é possível à baixas temperaturas, mas a eficiência e a taxa de
digestão diminuem muito
.
Quando ocorre mudança na temperatura por um pequeno período de tempo, as
bactérias podem sofrer um choque, afetando o processo de digestão. Vários trabalhos sobre o
efeito da mudança da temperatura na atividade das bactérias têm sido reportados (PECK et
al., 1986, BULL et al., 1983, apud STRONACH et al., 1986).
Embora elevadas temperaturas sejam desejadas, talvez seja mais importante a
manutenção de uma temperatura uniforme dentro do reator, uma vez que o processo
anaeróbio é considerado muito sensível a mudanças bruscas de temperatura. Tais mudanças
podem provocar um desbalanceamento entre as duas maiores populações microbianas e a
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 21
conseqüente falha do processo. Assim, recomenda-se que a variação de temperatura deve ser
no máximo de 2°C por dia (CHERNICHARO, 1997).
Em cada uma dessas três faixas, criofílica, mesofílica e termofílica, onde o
crescimento microbiano é possível, são normalmente referenciados três valores de
temperatura para caracterizar o crescimento das várias espécies microbianas envolvidas,
definidas como: temperatura mínima, abaixo da qual o crescimento não é possível;
temperatura ótima, onde o crescimento é máximo; e temperatura máxima, acima da qual o
crescimento também não é possível. As temperaturas máxima e mínima definem os limites da
faixa em que o crescimento é possível e a temperatura ótima é aquela em que o crescimento é
máximo. A taxa de crescimento microbiano em temperaturas próximas à mínima é
tipicamente baixa, mas aumenta exponencialmente com o acréscimo da temperatura,
atingindo o máximo próximo à temperatura ótima. A partir do ponto de crescimento ótimo,
um pequeno aumento na temperatura provoca uma queda brusca na taxa de crescimento, até o
valor zero (CHERNICHARO, 1997).
Uma importante característica das bactérias anaeróbias é que sua taxa de decaimento é
muito lenta a temperaturas inferiores a 15°C. Sendo assim, é possível preservar um lodo
anaeróbio por longos períodos sem que este perca sua atividade. Esta característica é muito
útil quando se deseja tratar efluentes industriais gerados sazonalmente (RAJESHWARI et al.,
2000)
2.5.2.2 - EFEITO DO pH
Como a digestão de substratos complexos resulta na produção de ácidos orgânicos
intermediários, é importante que a alcalinidade do sistema seja suficiente para manter o pH
dentro da faixa ótima, considerada pela maioria dos autores como situada entre os valores 6,8
e 7,2 (RAJESHWARI et al., 2000). Condições acima ou abaixo da faixa ótima diminuem, de
forma acentuada, a taxa de produção de metano.
O pH ótimo, a ser utilizado no tratamento anaeróbio, depende do tipo de
microrganismo e do substrato envolvido no processo de digestão. As arqueas produtoras de
metano apresentam um crescimento ótimo na faixa de pH entre 6,6 e 7,4. Entretanto, em
alguns casos específicos, consegue-se ampliar essa faixa entre 6,0 e 8,0, porém valores acima
ou abaixo dessa faixa devem ser evitados, pois podem inibir por completo as arqueas
formadoras de metano.
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 22
A queda do pH geralmente é conseqüência do aumento da produção de ácidos voláteis,
ocasionando uma redução na atividade das arqueas metanogênicas, que são mais sensíveis a
condições adversas ou a alterações do ambiente e se reproduzem mais lentamente que as
bactérias acidogênicas. Assim, o controle do pH tem como objetivo a eliminação do risco de
inibição das arqueas metanogênicas, que são as controladoras da eficiência do processo
(ARAÚJO, 2002).
Um aumento na concentração de ácidos voláteis serve como indicador de que o
sistema está em desequilíbrio.
Para McCARTY (1964), quando o teor de alcalinidade varia entre 2.500 e 5.000 mg/L
há uma boa capacidade de tamponamento e segurança ao processo. Inicialmente acreditava-se
que concentrações de ácidos voláteis superiores a 2.000 mg/L eram tóxicas e inibidoras da
fase metanogênica; no entanto, estudos recentes revelam que os digestores podem operar com
concentrações de 6.000 a 8.000mg/L de ácidos, sem afetar a produção de metano, desde que o
pH seja mantido na faixa recomendada (XAVIER et al., 1998).
A alcalinidade é a medida da capacidade de tamponamento, para evitar mudanças no
pH do meio, que está relacionada com o equilíbrio iônico ácido/base e é controlada pela razão
dióxido de carbono/bicarbonato.
2.5.2.3 - EFEITO DE NUTRIENTES
O bom desempenho dos processos de tratamento biológico, além de outros fatores,
requer a disponibilidade de macro e micro nutrientes essenciais ao crescimento microbiano
em quantidades apropriadas. Essas necessidades nutricionais são estabelecidas a partir da
composição química das células microbianas. Como a maioria das células vivas apresenta
composição semelhante, elas necessitam dos mesmos nutrientes, nas mesmas proporções
relativas.
De acordo com MALINA (1992), os requerimentos nutricionais para o crescimento da
massa microbiana e os fatores de crescimento são: energia, carbono, macronutrientes
inorgânicos (nitrogênio e fósforo), micronutrientes inorgânicos, tais como: enxofre, potássio,
cálcio, magnésio, ferro, sódio, cloro, níquel, cobalto, zinco, manganês e cobre e fatores
orgânicos de crescimento (vitaminas, aminoácidos e outros). Algumas bactérias acetogênicas
e arqueas do gênero Methanococcus também necessitam de molibdênio, selênio e tungstênio.
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 23
Segundo CHERNICHARO (1997), a ordem decrescente de importância dos nutrientes
necessários à estimulação nutricional das arqueas metanogênicas é a seguinte: nitrogênio,
fósforo, enxofre, ferro, cobalto, níquel, molibdênio, selênio, riboflavina e vitamina B
12
.
Geralmente, o nitrogênio é o nutriente requerido em maiores concentrações para o
crescimento de microrganismos. A amônia e a fração de nitrogênio liberado durante a
degradação são as principais fontes de nitrogênio utilizadas pelos microrganismos.
A incorporação microbiana de fósforo na digestão anaeróbia tem sido reportada, sendo
de aproximadamente 1/5 a 1/7 daquela estabelecida para o nitrogênio, enquanto as
necessidades de enxofre parecem ser da mesma ordem de grandeza das de fósforo.
A maioria dos microrganismos é capaz de utilizar o ortofosfato inorgânico, que pode
ser incorporado pelas células em crescimento através da ação de enzimas fosfatase.
O enxofre também é necessário para a síntese das proteínas. A maioria das arqueas
metanogênicas utiliza o sulfeto como fonte de enxofre, embora algumas possam utilizar a
cisteína. Se o sulfato inorgânico estiver presente, este é reduzido a sulfeto, reagindo então
com o aminoácido serina para formar o aminoácido cisteína.
Recomenda-se uma relação DQO:N:P de 100:5:1 no tratamento de despejos
constituídos principalmente por ácidos graxos voláteis e de 350:5:1 na degradação de
compostos orgânicos mais complexos (carboidratos) (CHERNICHARO, 1997).
A Tabela 2.5 apresenta a composição elementar das arqueas metanogênicas em um
consórcio microbiano, evidenciando a presença diversificada de metais micronutrientes.
Tabela 2.5 - Composição elementar das arqueas metanogênicas.
MACRONUTRIENTES MICRONUTRIENTES
Elemento Concentração (g/kg SST) Elemento Concentração (g/kg SST)
N
P
K
S
Ca
Mg
65
15
10
10
4
3
Fe
Ni
Co
Mo
Zn
Mn
Cu
1,8
0,100
0,075
0,060
0,060
0,020
0,010
SST: Sólidos Suspensos Totais.
Fonte: RAJESHWARI
et al
., (2000).
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 24
2.5.2.4 - EFEITO DA PRESENÇA DE COMPOSTOS QUÍMICOS
Uma grande variedade de compostos tóxicos é responsável por falhas ocasionais nos
digestores anaeróbios. A inibição das arqueas metanogênicas, em geral, é indicada pela
redução da produção de metano ou pelo aumento na concentração de ácidos voláteis.
Oxigênio, amônia, hidrocarbonetos clorados, compostos benzênicos, ácidos graxos de cadeia
longa, cianetos, entre outros, são alguns dos compostos que podem inibir as arqueas
metanogênicas.
a) Toxicidade por Sais
Estudos de toxicidade por cátions, efetuados por KUGELMAN e CHIN (1971, apud
SPEECE, 1996), indicaram a seguinte ordem crescente de inibição, com base na concentração
molar: Na
+
(0,32 M), NH
4
+
(0,25 M), K
+
(0,15 M), Ca
2+
(0,11 M) e Mg
2+
(0,08 M). Segundo
LETTINGA et al. (1996), as concentrações inibidoras podem se situar em patamares mais
elevados, desde que a biomassa passe por uma etapa de adaptação. A Tabela 2.6 contém
alguns valores de concentrações estimuladoras e inibidoras de alguns cátions reportados na
literatura.
Tabela 2.6 - Concentrações estimuladoras e inibidoras de cátions no processo anaeróbio.
CONCENTRAÇÃO (mg/L)
CÁTION
ESTIMULADORA
MODERADAMENTE
INIBIDORA
FORTEMENTE
INIBIDORA
Cálcio 100 - 200 2.500 - 4.500 8.000
Magnésio 75 - 150 1.000 - 1.500 3.000
Potássio 200 - 400 2.500 - 4.500 12.000
Sódio 100 - 200 2.500 - 5.500 8.000
Fonte: McCARTY (1964).
b) Toxicidade pela Amônia
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 25
Normalmente, a presença do bicarbonato de amônia, resultante da digestão de
efluentes ricos em compostos protéicos ou uréia, é benéfica ao digestor como fonte de
nitrogênio e como tampão para absorver as mudanças de pH. Todavia, tanto o íon amônio
(NH
4
+
) quanto a amônia livre (NH
3
) podem tornar-se inibidores quando presentes em
elevadas concentrações. Estudos demonstraram que para concentrações de amônia livre acima
de 150 mg/L o meio tornava-se tóxico para as arqueas metanogênicas, enquanto o limite
máximo de segurança para o íon amônio é da ordem de 3.000 mg/L (
McCARTY, 1964
).
c) Toxicidade pelo Sulfeto
A toxicidade pelo sulfeto é um problema potencial no tratamento anaeróbio;
primeiramente, devido à redução biológica dos sulfatos e de outros compostos orgânicos
contendo enxofre, como também pela degradação anaeróbia de compostos ricos em proteína.
Segundo SPEECE (1996), os reatores anaeróbios com elevada capacidade de retenção
de biomassa, reatores UASB (upflow anaerobic sludge blanket) e filtros anaeróbios por
exemplo, podem tolerar níveis elevados de sulfetos, da ordem de 170 mg H
2
S/L. Os sulfetos
passam a ser bastante tóxicos quando presentes em concentrações acima de 200 mg/L, mas
podem ser tolerados até esta concentração se a operação do sistema for contínua e se alguma
etapa de aclimatação for propiciada à biomassa. Entretanto, concentrações de sulfeto da
ordem de 50 a 100 mg/L podem ser toleradas com pequena ou nenhuma aclimatação do
sistema.
d) Toxicidade por Metais Pesados
Elementos e compostos tóxicos como cromo, cromatos, níquel, zinco, cobre, arsênio e
cianetos, dentre outros, são classificados como toxinas inorgânicas altamente tóxicas. Um dos
procedimentos mais eficazes para se controlar a toxicidade de metais pesados é a adição de
quantidades suficientes de sulfeto para precipitar os metais. Cerca de 1,8 a 2,0 mg/L de metais
pesados são precipitados como sulfetos metálicos através da adição de 1,0 mg/L de sulfeto.
Este fenômeno configura-se como uma boa alternativa para o tratamento de efluentes
industriais contendo metais pesados. Se a relação de 1,0 mg/L de sulfeto para 2,0 mg/L de
metais pesados não for verificada durante o tratamento, recomenda-se a adição de sulfeto de
sódio ou de sal de sulfato (CHERNICHARO, 1997).
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 26
2.6- REMOÇÃO DE GORDURA
A gordura no leite ocorre como pequenos glóbulos contendo principalmente
triacilglicerídeos, envolvidos por uma membrana lipoprotéica. O leite de vaca possui
aproximadamente 440 ésteres de ácidos graxos, sendo os principais os do ácido palmítico e do
ácido oléico. A gordura é o constituinte que mais sofre variações, conforme pode ser visto na
Tabela 2.7, em razão da alimentação, raça, estação do ano e período de lactação (SILVA,
1997).
A literatura registra muitos estudos sobre os inconvenientes do alto teor de gordura do
soro de queijo no tratamento biológico. Problemas como redução da transferência de massa,
de substrato e oxigênio para a célula e de produtos da célula para o meio devido ao acúmulo
de gordura na membrana celular, além de desenvolvimento de microrganismos filamentosos,
que prejudicam a sedimentação do lodo, são relatados na operação de reatores aeróbios.
Tabela 2.7- Composição média do leite de vaca.
CONSTITUINTE TEOR (g/kg) VARIAÇÃO (g/kg)
Água 873 855-887
Lactose 46 38-53
Gordura 39 24-55
Proteínas 32,5 23-44
Substâncias minerais 6,5 5,3-8,0
Ácidos orgânicos 1,8 1,3-2,2
Outros 1,4 ----
Fonte: Adaptado de WALSTRA E JENNESS, 1984.
Nos reatores anaeróbios, em especial nos que operam com leitos de biomassa granular
ou imobilizada como reatores UASB (upflow anaerobic sludge blanket) e filtros anaeróbios,
problemas como colmatação do leito de lodo, formação de escuma, retenção de sólidos e
variações de pH, ocorrem com muita freqüência no tratamento de efluentes com altos teores
de gordura (WILSON e MURPHY, 1985; VIDAL et al., 2000).
PERLE et al. (1995) propuseram uma redução no teor inicial de gordura para um valor
menor que 100 mg/L, para que houvesse um bom funcionamento do processo anaeróbio. Os
trabalhos de KALYUZHNYI et al. (1997) e MARTINS (2000) concluíram que não foi
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 27
possível conduzir o tratamento do soro in natura em única fase, empregando-se fermentação
anaeróbia.
No aproveitamento de proteínas por ultrafiltração, PAIVA (2000) e VILANI (2001)
mostraram que o fluxo de permeado do soro in natura não estabililizou-se durante 4 horas de
ensaio, o que foi relacionado a problemas de fouling na superfície da membrana devido,
provavelmente, à presença de proteínas, gorduras e outros solutos no soro.
Uma série de sistemas de pré-tratamento (caixas separadoras de gordura, separadores
de placas paralelas, sistemas de flotação com ar dissolvido e tratamentos físico-químicos) são
empregados para remover gordura dos efluentes antes do tratamento principal, em geral de
natureza biológica. Contudo, o custo dos reagentes é elevado, a eficiência de remoção de
gorduras dissolvidas e/ou emulsionadas é baixa e lodos extremamente problemáticos são
produzidos. As gorduras que não são retidas nestes sistemas de pré-tratamento entram nos
sistemas de tratamento biológico e ocasionam os problemas já mencionados.
A aplicação de um pré-tratamento para hidrolisar e dissolver as gorduras pode
melhorar a degradação biológica de efluentes com alto teor de gorduras, acelerando o
processo e reduzindo o tempo do mesmo.
2.7- HIDRÓLISE ALCALINA
Uma forma alternativa de hidrolisar as gorduras presentes nos efluentes seria através
do emprego de agentes alcalinos como o hidróxido de sódio (NaOH). Os ésteres, quando
aquecidos em NaOH aquoso, sofrem uma reação de hidrólise, denominada saponificação, que
consiste na hidrólise dos ésteres e posterior neutralização dos ácidos graxos produzidos pela
base. A hidrólise é um processo em que a quebra (lise) de uma molécula se dá com a adição
dos fragmentos H- e –OH de uma molécula de água. A hidrólise de um éster promovida por
uma base é uma reação essencialmente irreversível, visto que o ácido carboxílico forma um
sal que desloca o equilíbrio, como mostra a Figura 2.4 (SOLOMONS, 1998).
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica 28
Figura 2.4 - Reação de saponificação de um triacilglicerol.
GAUDY e GAUDY (1980) concluíram que as gorduras animais são compostas
principalmente de lipídios saponificáveis, as quais quando submetidas à hidrólise alcalina
formam produtos solúveis em água ou sabão.
KARLSSON (1990), apud MASSE et al. (2001), reportou que NaOH foi muito mais
eficiente na hidrólise de proteína do que lipídios, no tratamento de resíduos de frigoríficos. No
pré-tratamento com NaOH em um efluente também de frigorífico, KNEZEVIC et al. (1995);
LIN et al. (1997); RAY et al. (1990) e RAJAN et al. (1989), apud MASSE et al. (2001),
observaram o aumento da demanda química de oxigênio solúvel (DQO
S
) e concluíram que
este era devido, principalmente, à hidrólise das proteínas e não dos lipídios.
MASSE et al. (2001) estudaram a redução do tamanho das partículas de gordura no
efluente de frigoríficos com teor de gordura entre 2,5 a 3,0 g/L. Os ensaios foram conduzidos
sob temperatura de 23 ± 2°C, agitação de 60 rpm e tempo de hidrólise de 4 horas. A demanda
química de oxigênio solúvel (DQO
S
) não foi um parâmetro significativo, mas o diâmetro
médio das partículas de gordura foi reduzido de 73 ± 7% do diâmetro inicial médio da
partícula, com concentrações de NaOH de 0,6% a 1,2% (m/v).
Dentro deste contexto, o presente trabalho avaliou o efeito de uma etapa de hidrólise
alcalina das gorduras e proteínas presentes no soro de queijo sobre a biodegradação anaeróbia
posterior. A seguir, são apresentados os procedimentos experimentais, assim como os
métodos analíticos adotados nesse trabalho.
Capítulo 3 – Materiais e Métodos 29
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS
3.1- EFLUENTE- SORO DE QUEIJO
O efluente utilizado no presente trabalho foi soro em pó reconstituído, acrescido de
gordura.
O soro de queijo em pó desnatado foi fornecido pela Fábrica de Produtos Alimentícios
Vigor S/A, localizada na cidade de São Gonçalo do Sapucaí (MG), contendo a seguinte
composição química mínima de aproximadamente: 72% de lactose, 11% de proteína total, 8%
de sais minerais.
O teor de gordura no efluente constituído de soro diluído em água destilada a uma
concentração de 3 g/L, foi corrigido através da adição de gordura, a 25% (v/v), separada em
um flotador de uma indústria de laticínios. A gordura e o soro eram misturados com mixer por
3 minutos, obtendo-se o efluente utilizado nos experimentos, contendo 121.849 mg óleos e
graxas/L.
Demais reagentes, equipamentos e outros materiais são apresentados no Anexo 1.
3.2- HIDRÓLISE ALCALINA
Para se estudar a influência das variáveis tempo e concentração de NaOH, sobre o
aumento da DQO
S
no processo de hidrólise alcalina da gordura no soro, foi escolhido um
planejamento fatorial 3
2
. A metodologia da superfície de resposta foi utilizada para se estudar
a otimização do tempo de reação e da concentração de NaOH. Os dados experimentais foram
ajustados a uma equação que relaciona o aumento da DQO
S
com as variáveis estudadas, na
sua forma isolada, ou com suas interações, bem como pelos termos quadráticos, conforme
Equação 3.1.
∑
∑
∑
∑
=
<
=
β
+
β
+
β
+
β
=
k
j
j
i
k
j
j
jj
j
i
ij
j
j
x
x
x
x
Y
1
1
2
0
(3.1)
Capítulo 3 – Materiais e Métodos 30
Y = aumento da DQO
S
(%)
k = nº de variáveis independentes
x = variáveis independentes
0

j
,
ij
,
jj
= parâmetros da regressão
Os níveis utilizados para a codificação das variáveis independentes encontram-se na
Tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Variáveis independentes e níveis de variação
para o planejamento experimental.
x
i
-1 0 1
1
= (tempo, horas) 7 14 21
2
= (conc. NaOH, %) 0,023 0,055 0,087
Codificando:
7
14
1
1
−
=
ξ
x
032
,
0
055
,
0
2
2
−
=
ξ
x
O planejamento experimental e a determinação dos coeficientes de regressão foram
realizados utilizando-se o software
Statistica 5.1
. Para a análise canônica, uma rotina foi
implementada no software
Maple 7
.
A Tabela 3.2 apresenta o planejamento de experimentos.
Capítulo 3 – Materiais e Métodos 31
Tabela 3.2 – Matriz de planejamento.
EXPERIMENTO x
1
x
2
1 -1 -1
2 -1 0
3 -1 1
4 0 -1
5 0 0
6 0 1
7 1 -1
8 1 0
9 1 1
x
1
- variável codificada para o tempo de hidrólise
x
2
- variável codificada para concentração de NaOH
Estes ensaios foram conduzidos com volume reacional de 200 mL sob agitação de 200
rpm e temperatura de 35°C (temperatura utilizada na adaptação do meio para a segunda etapa,
a biodegradação anaeróbia), em shaker. O hidrolisado obtido era submetido a análises de
DQO
T
, DQO
S
e pH. Os valores dos aumentos de DQO
S
(Y na Equação 3.1) foram calculados
pela Equação 3.2.
)
.
(
*
(%)
2
3
100
DQO
DQO
DQO
DQO
da
aumento
inicial
S
inicial
S
final
S
S
−
=
3.3- BIODEGRADABILIDADE ANAERÓBIA DO SORO DE QUEIJO
Com o objetivo de estudar a biodegradabilidade do soro de queijo, após a etapa de pré-
tratamento constituída pela hidrólise alcalina da gordura, foi realizado um conjunto de
experimentos, onde amostras de soro eram inoculadas com lodo anaeróbio e acompanhada a
sua biodegradação em função do tempo de incubação.
Para o estudo da biodegradabilidade do soro de queijo, foram utilizados como reatores
anaeróbios, frascos tipo penicilina de 100 mL, com volume útil de 90 mL, nos quais eram
colocados soro e lodo, nas diferentes condições do respectivo experimento, e acompanhada a
produção de biogás e a redução de DQO em função do tempo de incubação. O lodo
Capítulo 3 – Materiais e Métodos 32
empregado como inóculo foi coletado em um reator UASB de uma indústria de abate de aves
e continha 8.630 a 11.762 mg SVS/L.
Nos ensaios de biodegradabiliidade, manteve-se uma relação sólidos voláteis em
suspensão (SVS) e demanda química de oxigênio (DQO) de 1:1. Esta relação é recomendada
na literatura para que se mantenha uma boa proporção de substratos e microrganismos e para
manter constante a concentração de biomassa nos vários ensaios realizados (BARBOSA,
1988).
Os meios constituídos da mistura de lodo, soro diluído (sem gordura) e soro acrescido
de gordura (soro reconstituído) hidrolisado tiveram o pH ajustado para 7,0±0,2
(RAJESHWARI et al., 2000) antes de iniciados os experimentos. Nos frascos tipo penicilina
foi colocado o soro diluído (a 3 g/L e DQO de 4.500 mg/L), junto com o lodo anaeróbio, mais
quantidades crescentes de soro reconstituído hidrolisado. Os frascos foram lacrados com
tampas de borracha presas com anel metálico e junto à tampa de borracha foram conectadas
seringas de 10 e 20 mL, com êmbolo móvel, para coletar o biogás produzido diariamente. Os
frascos foram incubados, sem agitação, à temperatura de 35±1
o
C por até 9 dias, em sala com
controle de temperatura.
Foram realizados seis experimentos relativos ao estudo de biodegradação, com
diferentes concentrações de soro reconstituído hidrolisado, em triplicata, conforme descritos
na Tabela 3.3.
Tabela 3.3 - Experimentos com concentrações crescentes de soro e gordura hidrolisada (soro
hidrolisado).
EXPERIMENTO
LODO PARA
CENTRIFUGAR
(mL)
SORO DILUÍDO +
LODO
CENTRIFUGADO
(mL)
SORO
HIDROLISADO
(mL)
A [100% (lodo + soro)] 47 90 0
B [90% (lodo + soro)+10%
soro hidrolisado]
54 81 9
C [70% (lodo + soro)+30%
soro hidrolisado]
67 63 27
D [50% (lodo + soro)+50%
soro hidrolisado]
81 45 45
E [30% (lodo + soro)+70%
soro hidrolisado]
94 27 63
F [100% soro hidrolisado] 114 0 90
Capítulo 3 – Materiais e Métodos 33
A DQO da mistura era calculada para cada proporção de meio avaliado, sendo o
volume de lodo ajustado para se manter uma relação inicial de DQO:SVS de 1:1 em cada
frasco (Anexo 2). A fim de manter a relação DQO:SVS inicial constante em todos os
experimentos, diferentes volumes de lodo foram empregados em cada condição avaliada, em
função da DQO também variar. Em todos os experimentos, um volume adequado de lodo era
centrifugado a 3000 rpm, durante 20 minutos, desprezando-se o sobrenadante, e o precipitado
ressuspenso em soro diluído até a quantidade indicada na Tabela 3.3. Em seguida,
completava-se os 90 mL com a quantidade de soro hidrolisado correspondente e transferia-se
a mistura para o frasco tipo penicilina.
Para efeito de comparação, experimentos semelhantes foram realizados com meio de
controle, utilizando soro reconstituído não hidrolisado, mantendo-se a relação SVS:DQO de
1:1, conforme apresentado na Tabela 3.4.
Tabela 3.4 - Experimentos controle com meio reconstituído e gordura não hidrolisada (soro
controle).
EXPERIMENTO
LODO PARA
CENTRIFUGAR
(mL)
SORO DILUÍDO +
LODO
CENTRIFUGADO
(mL)
SORO
CONTROLE
(mL)
A [100% (lodo + soro)] 35 90 0
B [90% (lodo + soro)+10%
soro controle]
38 81 9
C [70% (lodo + soro)+30%
soro controle]
45 63 27
D [50% (lodo + soro)+50%
soro controle]
51 45 45
E [30% (lodo + soro)+70%
soro controle]
58 27 63
F [100% soro controle] 68 0 90
A remoção da demanda química de oxigênio (DQO) e a produção de biogás foram
monitoradas ao longo do tempo, seguindo o mesmo procedimento usado para os experimentos
com soro hidrolisado.
Capítulo 3 – Materiais e Métodos 34
3.4- MÉTODOS ANALÍTICOS
3.4.1 - pH
O pH foi medido em um medidor de pH modelo Actron DL-14, previamente calibrado
com soluções padrão de pH = 4,0 e 7,0.
3.4.2 - ANÁLISE DE DEMANDA QUÍMICA DE OXIGÊNIO (DQO
T
e DQO
S
)
A DQO mede a quantidade de oxigênio necessária (em mg/L) para transformar, por
oxidação, a matéria orgânica biodegradável e a não biodegradável presente na água do
efluente.
A análise de demanda química de oxigênio (DQO) foi realizada segundo a
metodologia Hach (método colorimétrico com refluxo fechado), conforme procedimento
descrito no Standard Methods (GREENBERG et al., 1992), no Anexo 3. Os símbolos DQO
T
e
DQO
S
correspondem à DQO da amostra bruta e filtrada em membrana millipore com tamanho
GHSRURGHPUHVSHFWLYDPHQWH
3.4.3 - ANÁLISE DE ÓLEOS & GRAXAS
A análise de óleos & graxas realizada neste trabalho seguiu o método de Extração em
Soxhlet, apresentado no Anexo 4.
3.4.4 - ANÁLISE DE VOLUME E COMPOSIÇÃO DE BIOGÁS
O volume de biogás produzido nos ensaios de biodegradabilidade anaeróbia foi
medido através do deslocamento do êmbolo de seringas plásticas graduadas conectadas aos
frascos. A concentração de metano no biogás foi determinada em cromatógrafo Shimadzu
GC- 17 A, empregando-se as seguintes condições: coluna Chrompack Sílica Plot – 50 m x
0,32 mm a 30°C, detetor TCD a 250°C, temperatura do injetor 160°C, gás de arraste H
2
(0,5
mL/min), tempo de análise de 5 minutos e split 1:20.
Capítulo 3 – Materiais e Métodos 35
3.4.5 - ANÁLISE DE SÓLIDOS VOLÁTEIS SUSPENSOS (SVS)
A análise de sólidos voláteis suspensos, SVS, seguiu o procedimento descrito no
Standard methods, Anexo 5.
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 36
CAPÍTULO 4
RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1- CARACTERIZAÇÃO DO SORO EM PÓ
O soro em pó utilizado no presente trabalho apresentou as propriedades mostradas na
Tabela 4.1. Os teores de lactose, proteína total e sais minerais foram indicados pelo
fabricante. O pH, ácidos voláteis e DQO
T
foram determinados conforme item 3.4, para o soro
dissolvido em água, na concentração de 3 gramas de sólido por litro de solução.
Tabela 4.1- Caracterização do soro in natura.
PROPRIEDADES SORO DE QUEIJO EM PÓ
Lactose 72%
Proteína total 11%
Sais minerais 8%
pH 3,5
Ácidos Voláteis (mg ác.acético/L) 24,81
DQO
T
(mg O
2
/L) 4.500
4.2- HIDRÓLISE ALCALINA DA GORDURA
A hidrólise alcalina da gordura no soro foi realizada conforme item 3.2. Durante a
reação, o pH permaneceu praticamente constante em 12,8, não variando significativamente
em função do tempo de reação. Não foi observada a formação de precipitado na solução
hidrolisada e no decorrer da hidrólise pôde-se notar que o meio reacional manteve-se amarelo
pálido.
Os resultados obtidos para a variável resposta aumento da DQO
S
, para os dez
experimentos do planejamento experimental são apresentados na Tabela 4.2.
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 37
Tabela 4.2 – Resultados do aumento da DQO
S
obtidos nos experimentos do
planejamento fatorial 3
2
.
EXPERIMENTO Tempo,
(h)
Concentração
NaOH, (%)
Aumento da
DQO
S
(%)
1 7 0,023 204
2 7 0,055 214
3 7 0,087 258
4 14 0,023 294
5 14 0,055 274
6 14 0,087 319
7 21 0,023 199
8 21 0,055 197
9 21 0,087 200
A análise dos efeitos dos fatores concentração de NaOH e tempo de reação, bem como
suas interações foram realizadas através de um diagrama de Pareto apresentado na Figura 4.1.
Nesta análise foram admitidas probabilidades máximas de erro de 10%, ou seja, os parâmetros
com nível de significância menor do que 10% foram considerados não significativos e
portanto negligenciados. Foi observado que o termo quadrático da variável tempo de hidrólise
foi o mais significativo no aumento da DQO
S
, e o termo quadrático relativo à variável
concentração de NaOH teve menor significância.
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 38
Figura 4.1 – Diagrama de Pareto dos efeitos calculados a partir do planejamento experimental.
x
1
: tempo de hidrólise; x
2
: concentrção de NaOH.
Com os dados experimentais da Tabela 4.2, realizou-se uma regressão múltipla
aplicando o modelo descrito pela Equação 2.1. O modelo ajustado é dado pela Equação 4.1:
)
1
.
4
(
25
,
13
33
,
17
67
,
83
33
,
13
33
,
13
11
,
284
2
1
2
2
2
1
2
1
x
x
x
x
x
x
Y
−
+
−
+
−
=
O valor de R
2
(0,98) mostra uma boa concordância entre os valores experimentais e os
preditos pelo modelo.
Uma análise da Figura 4.2 leva à conclusão de que, dentro das faixas estudadas das
variáveis, o tempo de reação que implicou em maior aumento de DQO
S
situou-se na faixa de
10 a 16 horas. Já o maior valor da concentração de NaOH encontrado, igual a 0,1% (m/v),
conduziu ao melhor resultado de aumento de DQO
S
.
A superfície ajustada na forma canônica segue a Equação 4.2.
)
2
.
4
(
2
2
2
2
1
1
0
ω
λ
ω
λ
+
+
=
Y
Y
6XEVWLWXLQGRRVYDORUHVGH
1

2
e Y
0
, determinados conforme item 3.2, na Equação
4.2 obtem-se a Equação 4.3.
)
3
.
4
(
76
,
17
10
,
84
91
,
285
2
2
2
1
ω
ω
+
−
=
Y
p=0,1
x2*x2
x1*x2
x2
x1
x1*x1
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 39
Logo, a análise do modelo ajustado dado pela Equação 4.1, implicou num ponto de
otimização em 13 horas de hidrólise e concentração de NaOH de 0,087%, para maximizar a
variável resposta.
Figura 4.2 – Superfície de resposta do aumento da DQO
S
em função do tempo de reação (x
1
)
e da concentração de NaOH (x
2
).
Na seqüência do trabalho, no estudo da biodegradabilidade anaeróbia de soro, as
condições das reações de hidrólise da gordura foram fixadas em: concentração 0,1% (m/v) de
NaOH e tempo de reação de 15 horas, estes valores fazem parte da região de ótimo
experimental conforme Figura 4.2.
Os valores de DQO
T
(mg O
2
/L) e DQO
S
(mg O
2
/L) do soro antes da hidrólise e após a
mesma nas condições descritas acima são mostrados na Tabela 4.3, na qual observa-se que
houve um aumento de 102% na DQO
S
, em comparação com os valores do soro reconstituído.
O aumento da DQO
T
, de cerca de 25%, não seria esperado, uma vez que a hidrólise estaria
apenas particionando os compostos da forma particulada para a forma solúvel. Este aumento
poderia ser atribuído a um erro experimental.
163,991
180,354
196,716
213,078
229,44
245,802
262,164
278,527
294,889
311,251
above
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 40
Tabela 4.3 – DQO
T
(mg O
2
/L), DQO
S
(mg O
2
/L) do soro reconstituído e hidrolisado
a 0,1% (m/v) de NaOH, em 15 horas de hidrólise alcalina.
PARÂMETROS
ANALISADOS
SORO ANTES DA
HIDRÓLISE ALCALINA
SORO APÓS 15 HORAS
DE HIDRÓLISE
DQO
T
(mg O
2
/L) 8.800 11.000
DQO
S
(mg O
2
/L) 3.430 6.954
4.3- BIODEGRADABILIDADE ANAERÓBIA
No estudo da biodegradabilidade do efluente pôde-se avaliar o efeito da proporção de
hidrolisado em relação ao meio reconstituído, durante a degradação do soro de queijo em
termos de produção de biogás e redução da DQO
T
.
Os biorreatores (frascos tipo penicilina) foram operados em batelada, tanto para o
meio controle, como para o hidrolisado, conforme descrito no item 3.3. O processo de
biodegradação foi acompanhado durante nove dias consecutivos, período no qual media o
volume de biogás produzido diariamente, e no final do período eram realizadas as análises de
DQO
T
, avaliando-se a redução de DQO com o tempo de operação. A Tabela 4.4 apresenta os
valores de DQO
T
iniciais e ao final dos nove dias de operação, bem como o volume
acumulado de biogás ao final, para cada experimento, nas diferentes condições.
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 41
Tabela 4.4 - Resultados de DQO iniciais e finais, e volume de biogás (valores médios das
triplicatas) nos ensaios com e sem hidrólise alcalina.
COMPOSIÇÃO DO
MEIO (%)
CONDIÇÃO
EXPERIMENTO
SORO
DILUÍDO
SORO +
GORDURA
a
DQO
I
MEIO
(mg/L)
b
DQO
F
MEIO
(mg/L)
VOLUME
BIOGÁS
(mL) a
35
O
C, 1 atm
Controle 100 0 4.500 47 (98,9%) 70,0
A
Hidrolisado 100 0 4.500 48 (98,9%) 79,0
Controle 90 10 4.930 43 (99,1%) 95,0
B
Hidrolisado 90 10 5.150 36 (99,3%) 111,5
Controle 70 30 5.790
141 (97,6%)
83,0
C
Hidrolisado 70 30 6.450 79 (98,8%) 140,5
Controle 50 50 6.650 70 (98,9%) 201,3
D
Hidrolisado 50 50 7.750
138 (96,4%)
184,0
Controle 30 70 7.510
105 (98,6%)
209,0
E
Hidrolisado 30 70 9.050
165 (98,1%)
290,0
Controle 0 100 8.800
167 (98,1%)
229,0
F
Hidrolisado 0 100 11.000
201 (98,1%)
323,5
a = DQO
T
do meio; b = DQO
T
do sobrenadante (após centrifugação do lodo).
A elevada remoção de DQO (> 96%) obtida em todos os ensaios não pode ser
atribuída unicamente à degradação microbiana. Os valores iniciais de DQO foram obtidos
logo após o preparo das soluções de soro reconstituído (ensaios controle) ou após a etapa de
hidrólise (ensaios com meio hidrolisado). Já os valores finais foram obtidos após a
centrifugação da mistura final para separação do lodo do sobrenadante. A adsorção da gordura
e/ou produtos de hidrólise ao lodo e às paredes internas das cubetas utilizadas na
centrifugação ao final dos ensaios provavelmente contribuiu para a obtenção de valores finais
muito baixos. Tal resultado não permitiu que se fizesse uma estimativa correta da produção
teórica de biogás com base na DQO consumida.
Outra forma mais correta de se avaliar a atividade dos microrganismos anaeróbios
mediante diferentes composições de meio é através da produção de biogás. As Figuras 4.3-a e
4.3-b mostram a produção acumulada de biogás ao longo do tempo nos diferentes ensaios
realizados. Comparando-se os gráficos, diferentes cinéticas de degradação anaeróbia podem
ser observadas. Nos ensaios com baixas concentrações de gordura (0, 10 e 30%), a produção
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 42
de biogás a partir dos meios controle e hidrolisado estabiliza-se em torno de 2 a 4 dias e não
apresenta fase lag, provavelmente devido ao lodo estar adaptado a constituintes semelhantes
aos encontrados no soro (gordura e proteínas), tendo em vista que este foi coletado numa
indústria de abate de aves. Nos meios com maior teor de gordura (50, 70 e 100%) as curvas de
produção de biogás mostram dois aumentos exponenciais durante os ensaios. O primeiro, até
o terceiro ou quarto dia, corresponde aos substratos mais facilmente biodegradáveis, como
açúcares simples presentes no soro ou os produtos da hidrólise da gordura nos meios
hidrolisados. O segundo aumento, após o quinto dia, corresponde à degradação dos
constituintes mais complexos após o esgotamento da fração mais facilmente assimilável.
0
40
80
120
160
200
240
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Tempo (dias)
Volume biogás (mL)
Controle 0%
Controle 10%
Controle 30%
Controle 50%
Controle 70%
Controle 100%
Figura 4.3-a - Produção de biogás no meio de controle.
0
40
80
120
160
200
240
280
320
0
2
4
6
8
10
Tempo (dias)
Volume biogás (mL)
Hidro 0%
Hidro 10%
Hidro 30%
Hidro 50%
Hidro 70%
Hidro 100%
Figura 4.3-b - Produção de biogás no meio hidrolisado.
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 43
Nas Figuras 4.4 a 4.9 é feita uma comparação da produção de biogás nos ensaios
controle e com meio previamente hidrolisado para cada teor de gordura. Nos ensaios sem
acréscimo de gordura (hidrolisado 0% e controle 0%), ou seja, conduzidos com o meio
constituído unicamente pelo soro diluído, cujos resultados são apresentados na Figura 4.4,
verifica-se valores finais de volume de biogás muito próximos e taxas iniciais de produção
pouco maiores para o meio controle. Tal resultado já era esperado, pois estes ensaios foram
conduzidos com meios semelhantes. Nas Figuras 4.5 e 4.6, que mostram a produção de biogás
nos meios com 10% e 30% do soro rico em gordura, já se percebe maiores taxas de produção
e maior volume final de biogás no meio previamente hidrolisado.
0
20
40
60
80
100
0
2
4
6
8
Tempo (dias)
Volume biogás (mL)
Hidro 0%
Controle 0%
Figura 4.4 – Evolução da produção de biogás nos ensaios controle e hidrolisado com meios
sem acréscimo de gordura.
0
20
40
60
80
100
120
0
2
4
6
8
Tempo (dias)
Volume biogás (mL)
Hidro 10%
Controle 10%
Figura 4.5 – Evolução da produção de biogás nos ensaios controle e hidrolisado com meios
contendo 10% do meio rico em gordura.
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 44
0
40
80
120
160
0
2
4
6
8
Tempo (dias)
Volume biogás (mL)
Hidro 30%
Controle 30%
Figura 4.6 – Evolução da produção de biogás nos ensaios controle e hidrolisado com meios
contendo 30% do meio rico em gordura.
Na Figura 4.7 o maior teor de gordura nos meios parece contribuir para efeitos
antagônicos: ao mesmo tempo em que aumenta a carga orgânica disponível para assimilação e
produção de biogás (mais facilitada nos meios hidrolisados, que ainda apresentam maiores
taxas de produção no início e no meio do processo), contribuem também para uma maior
concentração de ácidos graxos (concentração esta provavelmente maior nos meios
hidrolisados), que inibem o processo de degradação. Em função disto, os meios hidrolisados
apresentam valores finais de produção de biogás menores que nos ensaios controle.
0
40
80
120
160
200
0
2
4
6
8
10
Tempo (dias)
Volume biogás (mL)
Hidro 50%
Controle 50%
Figura 4.7 – Evolução da produção de biogás nos ensaios controle e hidrolisado com meios
contendo 50% do meio rico em gordura.
Na Figura 4.8, já se observa o efeito do acúmulo de gordura nos meios sem hidrólise,
pois apesar das taxas serem semelhantes, o volume final de biogás é maior nos ensaios com
meios previamente hidrolisados. Além disso, nos ensaios com estes meios, após o consumo
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 45
dos substratos mais prontamente assimiláveis, ocorre uma fase lag que dura cerca de 1 dia. Já
nos ensaios com meio controle, após o consumo dos substratos mais facilmente assimiláveis,
a fase lag dura cerca de 3 dias. Na Figura 4.9 o efeito do acúmulo de gordura é ainda mais
pronunciado, pois as taxas de produção e o volume final de biogás são maiores nos ensaios
com meio previamente hidrolisado. A fase lag intermediária também é menor nestes meios,
durando apenas 1 dia , enquanto que nos ensaios com meio controle dura aproximadamente 3
dias.
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
0
2
4
6
8
10
Tempo (dias)
Volume biogás (mL)
Hidro 70%
Controle 70%
Figura 4.8 – Evolução da produção de biogás nos ensaios controle e hidrolisado com meios
contendo 70% do meio rico em gordura.
0
40
80
120
160
200
240
280
320
0
2
4
6
8
10
Tempo (dias)
Volume biogás (mL)
Hidro 100%
Controle 100%
Figura 4.9 – Evolução da produção de biogás nos ensaios controle e hidrolisado com meios
contendo 100% do meio rico em gordura.
A Tabela 4.5 e a Figura 4.10 apresentam as taxas de produção de biogás, obtidas pela
inclinação das retas de volume de biogás produzido em função do tempo de fermentação, para
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 46
cada condição estudada. Observa-se que as taxas iniciais e após a fase lag (Tabela 4.5)
apresentam valores sempre maiores para os meios previamente hidrolisados onde as maiores
diferenças (18,3 mL/d no início e 19,4 mL/d após a fase lag) são observadas no maior teor de
gordura (meios 100%). Além disso, a Figura 4.10 mostra que nos ensaios controle a taxa se
mantém praticamente inalterada (31,9 ± 3,5 mL/d) com o aumento da concentração de
gordura, enquanto nos meios hidrolisados ela aumenta. A diferença entre as taxas nos meios
0% e 100% foi de 4,6 mL/d nos ensaios controle e de 30,3 mL/d nos ensaios com meio
hidrolisado.
20
25
30
35
40
45
50
55
60
4
6
8
10
12
DQO (g/L)
Taxa produção biogás (mL/d)
Controle
Hidrolisado
B
D
C
A
F
E
Figura 4.10 – Taxa inicial de produção de biogás nos meios com e sem a etapa de pré-
hidrólise em função da concentração de DQO inicial.
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 47
Tabela 4.5 – Taxas de produção de biogás no início dos experimentos e após a fase lag
intermediária.
COMPOSIÇÃO DO
MEIO (%)
TAXA DE PRODUÇÃO DE
BIOGÁS
(mL/d) A 35
O
C, 1 atm
CONDIÇÃO
EXPERIMENTO
SORO
DILUÍDO
SORO +
GORDURA
INICIAL APÓS FASE
LAG
Controle 100 0 31,6 (0,9603)
*
--A
Hidrolisado 100 0 24,2 (0,9829) --
Controle 90 10 30,1 (0,9866) --B
Hidrolisado 90 10 42,7 (0,9744) --
Controle 70 30 26,8 (0,9884) --C
Hidrolisado 70 30 36,8 (0,9741) --
Controle 50 50 31,1 (0,9919) 28,6 (0,9777)
*
D
Hidrolisado 50 50 40,7 (0,9875) 38,0 (0,9625)
Controle 30 70 35,6 (0,9966) 39,8 (0,9942)E
Hidrolisado 30 70 39,8 (0,9889) 43,2 (0,9935)
Controle 0 100 36,2 (0,9686) 43,0 (0,9540)F
Hidrolisado 0 100 54,5 (0,9957) 62,4 (0,9765)
*
Os valores entre parênteses se referem aos coeficientes de correlação das retas obtidas no ajuste dos pontos
experimentais.
A Figura 4.11 mostra a máxima produção de biogás com o aumento da concentração
de DQO no meio, para as condições estudadas. Os meios previamente hidrolisados com
NaOH apresentam uma produção de biogás semelhante à obtida com o meio controle nos
ensaios conduzidos com a concentração mais baixa de gordura. Nos ensaios com efluente
controle a inibição da produção de biogás ocorreu a concentrações acima de 6,65 g DQO/L.
Tal inibição já era esperada, em função da baixa taxa de biodegradabilidade das gorduras,
associada ao acúmulo da mesma sobre a superfície celular, reduzindo a permeabilidade e a
absorção de substrato e nutrientes (PERLE et al., 1995). Nos ensaios com meios hidrolisados,
a produção de biogás aumenta com a concentração de gordura e tem sua taxa reduzida
somente a partir de 9,0 g DQO/L.
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 48
0
40
80
120
160
200
240
280
320
4
6
8
10
12
DQO (g/L)
Volume biogás (mL)
Controle
Hidrolisado
A
D
C
B
F
E
Figura 4.11 – Produção máxima de biogás nos ensaios com meio controle e hidrolisado sob
diferentes concentrações de gordura.
Tendo em vista as maiores diferenças observadas, a cinética da degradação anaeróbia
do efluente foi monitorada no maior teor de gordura avaliado (meios 100%), obtendo-se as
curvas mostradas nas Figuras 4.12 e 4.13. O efeito da etapa de pré-hidrólise alcalina das
gorduras presentes é muito pequeno, obtendo-se remoção de DQO (97%) e produção de
biogás (128,3 mL) pouco maior após 6 dias. Enquanto o meio controle, contendo o mesmo
teor inicial de gordura, apresenta remoção de DQO de 92% (resultado da repetição, nesta
condição, monitorada ao longo do tempo) e produção de biogás de 112,0 mL, após 6 dias de
tratamento. Os resultados, em termos de volume de biogás, são muito próximos aos obtidos
aos 6 dias de tratamento no primeiro ensaio com meio 100% (Figura 4.9): 109,5 mL e 142,0
mL para o controle e hidrolisado, respectivamente. O acompanhamento das composições
percentuais de metano no biogás ao longo do tempo permitiu o cálculo dos volumes de
metano, que se mostraram maiores no meio hidrolisado a partir do segundo dia de tratamento.
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 49
0
40
80
120
160
0
2
4
6
8
Tempo (dias)
Volume biogás (mL)
Controle
Hidrolisado
Figura 4.12-a – Evolução da produção de biogás nos ensaios com meio contendo alto teor de
gordura com e sem a etapa de pré-hidrólise alcalina.
0,0
20,0
40,0
60,0
0
1
2
3
4
5
6
7
Tempo (dias)
Volume Metano (mL)
Controle
Hidrolisado
Figura 4.12-b – Produção de metano nos ensaios com meio contendo alto teor de gordura com
e sem a etapa de pré-hidrólise alcalina.
Na Figura 4.13 é apresentado o decaimento da DQO
T
, na forma normalizada, em
função do tempo, para o meio controle e para o hidrolisado,
contendo alto teor de gordura
(100%). A taxa inicial de decaimento da DQO foi de 0,414 d
-1
(R
2
= 0,9947) para o controle e
de 0,437 d
-1
(R
2
= 0,9759) para o hidrolisado. Estes resultados confirmam a importância da
hidrólise prévia das gorduras no processo de biodegradação de resíduos contendo tais
componentes. Apesar dos valores das taxas serem muito próximos, o volume de metano
produzido é bem maior no meio previamente hidrolisado.
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 50
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0
1
2
3
4
5
6
7
Tempo (dias)
DQO residual / DQO inicial
Controle
Hidrolisado
Figura 4.13 – Evolução do decaimento da DQO
T
residual nos ensaios com meio contendo alto
teor de gordura com e sem a etapa de pré-hidrólise alcalina.
As taxas de produção de biogás para estes mesmos ensaios são apresentadas na Figura
4.14. Estas são muito semelhantes nos meios controle e hidrolisado nos primeiros dois dias,
provavelmente devido à presença de compostos mais facilmente assimiláveis. A partir do 2
o
dia, as taxas decaem, se mantendo no 3
o
e 4
o
dias, provavelmente devido à assimilação mais
lenta de constituintes mais complexos do meio. Do 4
o
dia em diante, as taxas caem
novamente. No entanto, as taxas do meio hidrolisado permanecem em valores mais altos. Tais
resultados indicam que a etapa de pré-hidrólise alcalina pode melhorar o processo de
degradação das gorduras pelo consórcio anaeróbio mas precisa ser mais bem estudada. A
variável resposta empregada nos ensaios de hidrólise (DQO
S
) pode não ser a mais adequada
para a otimização das condições de hidrólise. Pode ter ocorrido, simultaneamente à produção
de compostos de menor tamanho e mais solúvel, uma inibição acentuada dos microrganismos
anaeróbios pelos ácidos graxos formados em grande quantidade. Somado a isto, os baixos
valores de DQO podem ser atribuídos a erros analíticos ou perdas de gordura e derivados ao
longo do preparo da amostra para análise, conforme citado anteriormente.
Capítulo 4 – Resultados e Discussão 51
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0
1
2
3
4
5
6
7
Tempo (dias)
Taxa produção biogás (mL/d)
Controle
Hidrolisado
Figura 4.14 – Taxa de produção de biogás ao longo do tempo para os meios bruto e
hidrolisado, no meio contendo alto teor de gordura.
Capítulo 5 – Conclusões e Sugestões 52
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES E SUGESTÕES
5.1 – CONCLUSÕES
A partir dos resultados obtidos e discutidos, pode-se concluir:
• Analisando os resultados do estudo da hidrólise alcalina da gordura no soro conclui-se que
as melhores condições de reação visando o aumento da DQO
S
foram concentração de
NaOH de 0,10% e tempo de reação de 15 horas.
• A produção de biogás nos cinco experimentos (10%, 30%, 50%, 70% e 100%)
envolvendo meios com diferentes proporções entre hidrolisado e controle foi em média,
31,4% maior nos meios hidrolisados.
• A influência da hidrólise da gordura na produção de biogás, nos meios de cultura com
maior teor (70% e 100%), foi bem mais acentuada do que nos meios com menores teores
da mesma.
• As taxas de produção de biogás foram maiores nos meios contendo hidrolisado do que nos
meios sem hidrólise da gordura.
• A redução da DQO
T
em todos os experimentos de biodegradabilidade foi maior que 95%.
• Para a maior concentração de gordura, a produção de metano foi maior no meio
hidrolisado do que no controle.
• De uma maneira geral, pode-se concluir que a hidrólise alcalina da gordura como pré-
tratamento é uma etapa importante na biodegradação do soro de queijo.
Capítulo 5 – Conclusões e Sugestões 53
5.2 – SUGESTÕES
• Avaliar a eficiência do processo de hidrólise alcalina da gordura empregando métodos
analíticos mais precisos, como a cromatografia gasosa, em substituição à medida de DQO
solúvel;
• Avaliar o efeito de diferentes condições de hidrólise alcalina (concentração de NaOH
e tempo) sobre a biodegradação anaeróbia de soro com elevado teor de gordura;
• Comparar os resultados obtidos com a etapa de hidrólise alcalina com os resultados de
uma etapa de hidrólise enzimática com preparados enzimáticos com elevada atividade
lipásica;
• Avaliar o processo de tratamento (hidrólise alcalina/biológico) em regime contínuo,
empregando biorreatores anaeróbios de bancada;
• Avaliar a relação custo x benefício do processo de tratamento (hidrólise
alcalina/biológico anaeróbio);
• Avaliar o efeito da etapa de hidrólise alcalina da gordura sobre a biodegradação
aeróbia do soro.
Referências Bibliográficas 54
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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ZADOW, J. G. Modern Dairy Technology, vol.2 Advances in Milk Products, p. 313-373,
1997.
Anexos 58
ANEXOS
Anexo 1 59
ANEXO 1
MATERIAIS - REAGENTES
Todos os reagentes empregados apresentaram pureza analítica.
• Ácido Sulfúrico - Quimex
• Dicromato de Potássio - Reagen
• Hidróxido de Sódio - Vetec
• Ácido Clorídrico
• Hexano
• Suspensão de sílica-diatomácea
• Sulfato de Prata - Vetec
• Sulfato de Mercúrio – Vetec
EQUIPAMENTOS E MATERIAIS DE APOIO
• Reator Hach (modelo 45600)
• Espectrofotômetro Hach DR/2000
• Balança Analítica – Gehaka Modelo Ag 200
• Aparelho de extração Soxhlet
• Bomba de vácuo – Primar Modelo 141
• Manta elétrica de aquecimento ou chapa elétrica
• Cartucho de extração
• Papel de filtro, Whatman n
o
40, 11 cm
• Disco de tecido musselina, 11cm
• Centrífuga – Fanem Modelo 204 SR
• Medidor de pH – Actron DL-14
• Shaker
• Agitador
• Estufa de secagem - Ética
• Dessecador
• Vidrarias diversas
Anexo 2 60
ANEXO 2
MEMÓRIA DE CÁLCULO NA DETERMINAÇÃO DA RELAÇÃO SVS:DQO
Para determinação dos valores reportados nas Tabelas 3.3 e 3.4 foi utilizada a relação
SVS:DQO de 1:1. Nos experimentos com o meio hidrolisado foi utilizado lodo com sólidos
voláteis em suspensão de 8630 mg/L e DQO de 11.000 mg/L.
A) meio sem gordura (soro diluído)
DQO = 4.500 mg/L
4.500 mg – 1.000 mL→ x – 90 mL→ x = 405 mg
8.630 mg – 1.000 mL→ 405 mg -y→ y = 47 mL lodo
B) meio + 10% hidrolisado
DQO = 4.050 + 1.100 = 5.150 mg/L
y = 54 mL lodo
C) meio + 30% hidrolisado
DQO = 3.150 + 3.300 = 6.450 mg/L
y = 67 mL lodo
D) meio+ 50% hidrolisado
DQO = 2.250 + 5.500 = 7.750 mg/L
y = 81 mL lodo
E) meio+ 70% hidrolisado
DQO = 1.350 + 7.700 = 9.050 mg/L
y = 94 mL lodo
F) 100% hidrolisado
DQO = 11.000 mg/L
y= 114 mL lodo
Anexo 2 61
Para os experimentos com meio controle foi utilizado lodo com sólidos voláteis em
suspensão de 11.762mg/L e DQO de 8.800mg/L.
A) meio sem gordura
DQO = 4.500 mg/L
y= 35 mL lodo
B) meio + 10% meio controle
DQO = 4.050 + 880 = 4.930 mg/L
y= 38 mL lodo
C) meio + 30% meio controle
DQO = 3.150 + 2.640 = 5.790 mg/L
y= 45 mL lodo
D) meio + 50% meio controle
DQO = 2.250 + 4.400 = 6.650 mg/L
y= 51 mL lodo
E) meio + 70% meio controle
DQO = 1.350 + 6.160 = 7.510 mg/L
y= 58 mL lodo
F) 100% meio controle
DQO = 8.800 mg/L
y= 68 mL lodo
Anexo 3 62
ANEXO 3
DETERMINAÇÃO DE ÓLEOS E GRAXAS
EXTRAÇÃO EM SOXHLET
Interferências:
O método inclui a determinação não só de óleos e graxas, mas também de outras
substâncias orgânicas não oleosas extraíveis pelo solvente orgânico.
O método não é aplicável na determinação de hidrocarbonetos leves que volatilizam a
uma temperatura inferior a 105
o
C.
É necessário, para maior precisão, controlar rigorosamente o tempo e a velocidade de
extração, assim como os tempos de evaporação do solvente e de resfriamento do material
extraível.
Material necessário:
- Aparelho de extração Soxhlet
- Bomba de vácuo
- Funil Buchner, 12 cm
- Manta elétrica de aquecimento ou chapa elétrica
- Cartucho de extração
- Frasco, 125 mL
- Papel de filtro, Whatman n
o
40, 11 cm
- Disco de tecido musselina, 11cm
- Vidro de relógio, pinça.
Reagentes:
- Ácido clorídrico a 50% (volume/volume)
- Solvente orgânico (hexano ou éter de petróleo)
- Suspensão de sílica-diatomácea – 50 g/L em água destilada
Anexo 3 63
Procedimento:
1) Fazer uma marca no frasco de coleta, no menisco da água para posterior determinação do
volume da amostra. Se a amostra não tiver sido preservada no momento da coleta,
acidificar com cerca de 5 mL de HCl a 50% (v/v);
2) Preparar um filtro consistindo de um disco de musselina e um papel de filtro sobreposto.
Colocar o filtro assim preparado no funil Buchner e umedecer o filtro, pressionando as
bordas de modo a assegurar uma completa vedação. Com a bomba de vácuo em
funcionamento, colocar 100 mL da suspensão de silica diatomácea. Lavar com 1000 mL
de água destilada. Continuar com o vácuo até a remoção total de água destilada.
3) Filtrar a amostra acidificada através do filtro preparado, aplicando vácuo até que não
passe mais água através do filtro.
4) Transferir o papel de filtro e todo o material sólido retido no disco de musselina para um
vidro de relógio, utilizando uma pinça. Limpar a parte interna do funil Buchner e do
frasco de coleta com pedaços de papel de filtro embebido em solvente orgânico e colocar
sobre o papel de filtro anteriormente removido para o vidro de relógio.
5) Dobrar o papel de filtro e introduzir no cartucho de extração. Limpar o vidro de relógio
com pedaços de papel de filtro embebido em solvente orgânico e transferir também para o
cartucho de extração.
6) Encher o cartucho de extração com pérolas de vidro, secar a 103
o
C na estufa, exatamente
por 30 minutos.
7) Pesar o frasco de destilação (seco previamente a 103
o
C e guardado no dessecador),
acrescentar o solvente orgânico, conectar ao aparelho de Soxhlet com o cartucho de
extração previamente colocado no seu interior.
8) Extrair os óleos e graxas, na vazão de 20 ciclos por hora, durante 4 horas. O tempo é
medido a partir da primeira sifonação.
9) Evaporar o solvente do frasco de extração em banho de 70
o
C. Colocar o frasco em estufa à
103
o
C por 15 minutos. Esfriar em dessecador e pesar.
Anexo 3 64
Cálculos:
)
1
.
(
10
*
)
(
/
6
A
amostra
da
mL
A
B
graxa
ou
óleo
L
mg
−
=
onde:
B = peso em g do balão mais resíduo
A = peso em g do balão vazio
Anexo 4 65
ANEXO 4
MÉTODO DE DETERMINAÇÃO DE DEMANDA QUÍMICA DE OXIGÊNIO (DQO)
MÉTODO HACH
Interferências:
Compostos alifáticos de cadeia linear, hidrocarbonetos aromáticos (como benzeno e
tolueno) e piridina não fornecem uma boa oxidação. Os compostos de cadeia linear são mais
efetivamente oxidados quando sulfato de prata é adicionado como catalisador; entretanto, o
sulfato de prata reage com cloretos, brometos ou iodetos produzindo precipitados que são
parcialmente oxidados pelo processo.
A oxidação e outras dificuldades causadas pela presença de cloretos na amostra podem
ser superadas pelo emprego de um método que consiste de uma técnica de complexação para
eliminar os cloretos da reação. Isto é feito com a adição de sulfato mercúrico à amostra antes
do refluxo. Desta maneira, o íon cloreto é retirado sob a forma de um complexo solúvel de
cloreto mercúrico, que apresenta reatividade muito menor do que o íon cloreto.
Nitrogênio do nitrito exerce uma DQO de 1,14 mg por mg de N de nitrito. Para
eliminar sua interferência, ácido sulfâmico deve ser adicionado (na proporção de 10 mg para
cada mg de N de nitrito presente) à solução de dicromato.
Amostras instáveis devem ser logo testadas e aquelas que contem sólidos
sedimentados devem ser homogeneizadas, de modo a permitir que a amostra seja
representativa. Caso ocorra algum atraso antes da análise, a amostra deve ser conservada por
acidificação com ácido sulfúrico (1 a 2 gotas para cada 20 - 30 mL de amostra). Resíduos com
um alto valor de DQO devem ser submetidos a diluições iniciais em balões volumétricos com
o objetivo de reduzir o erro devido à medida de pequenos volumes.
Material necessário:
- Reator Hach (modelo 45600) - consiste de um bloco construído em aço com dispositivos
para encaixe de 25 tubos de amostra. Este bloco é aquecido à temperatura de digestão,
controlada através de um termostato, por um determinado tempo, controlado por um timer.
Anexo 4 66
- Espectrofotômetro Hach DR/2000 - permite que a leitura de absorbância, após a etapa de
digestão, seja feita no próprio tubo de amostra.
- Tubos de amostra Hach - tubos de vidro com tampa rosqueável apropriados para a digestão e
leitura de absorbância.
- Pipetas e balões volumétricos para o preparo das diluições e medição das soluções.
Reagentes:
Solução padrão de ftalato ácido de potássio
Dissolver 850 mg do ftalato ácido de potássio, previamente seco a 103
o
C por pelo menos 2
horas, em água destilada e completar o volume para 1000 mL. Esta solução corresponde a
uma DQO teórica de 1000 ppm. Fazer diluições para se obter os seguintes padrões de DQO
(ppm):100, 200, 400, 500, 600, 800 e 1000.
Solução digestora para a faixa de DQO de 0 - 1000 mg/L
Dissolver 10,216 g de K
2
Cr
2
O
7
(previamente seco a 103
o
C por pelo menos 2 horas) em 500
mL de água destilada. Adicionar 167 mL de H
2
SO
4
concentrado e 33,3 g de HgSO
4
.
Dissolver, à temperatura ambiente, e completar o volume para 1000 mL com água destilada.
Cabe ressaltar que a quantidade de HgSO
4
adicionada nesta solução é suficiente para
complexar uma concentração de cloretos de até 2000 mg/L. Para concentrações maiores,
pode-se aumentar a quantidade de sulfato.
Solução catalítica
Dissolver 10,1196 g de Ag
2
SO
4
em H
2
SO
4
concentrado e completar o volume a 1000 mL com
o ácido.
Procedimento:
1) Preparo das amostras e do branco
Quando necessário, as amostras são diluídas em balões volumétricos com água destilada.
São, então, pipetados 2 mL com pipeta automática ou volumétrica e adicionados aos tubos de
Anexo 4 67
DQO, tomando-se cuidado para que a amostra não escorra pelas paredes do tubo. As análises
devem ser feitas em triplicata. Para o branco são utilizados 2 mL de água destilada no lugar da
amostra.
2) Etapa de digestão
Em seguida são adicionados 1,2 mL da solução digestora e 2,8 mL da solução ácida,
fechando-se hermeticamente os tubos e homogeneizando-os por sucessivas inversões. Como a
mistura das soluções leva ao desprendimento de calor e aquecimento dos tubos, deve-se ter o
cuidado de manuseá-los segurando-os somente pela tampa.. Os tubos são colocados no
aparelho de digestão da Hach, previamente aquecido a uma temperatura de 150 ºC, e a função
timer do aparelho é acionada para um tempo de 2 horas. Imediatamente após o término da
digestão, os tubos são novamente homogeneizados por sucessivas inversões (novamente
tomando-se cuidado e segurando os tubos pela tampa) e deixados esfriar em banho de água à
temperatura ambiente.
3) Leitura da Absorbância
Os tubos resfriados são levados ao espectrofotômetro (DR/2000) para leitura da
absorbância a 600 nm contra um branco preparado da mesma forma que as amostras.
4) Preparo da curva padrão
Empregando-se as diluições preparadas no item Reagentes, e procedendo da forma
anteriormente explicada, monta-se uma curva de absorbância a 600 nm em função da
concentração de DQO. Esta curva pode ser armazenada na memória do espectrofotômetro.
Quando da determinação da DQO das amostras, pode-se ler diretamente a DQO obtida ao
invés do valor da absorbância.
Anexo 4 68
Curva da DQO
y = 0,0004x
R
2
= 0,9962
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0,350
0,400
0,450
0
200
400
600
800
1000
1200
Concentração (mg/L)
Absorbância
Figura A.1 – Curva Padrão para DQO.
Anexo 5 69
ANEXO 5
DETERMINAÇÃO DE SÓLIDOS VOLÁTEIS SUSPENSOS
A determinação dos sólidos voláteis suspensos é feita em cápsulas de porcelana
previamente taradas em mufla a 550ºC durante 30 minutos (P1). Um volume de amostra de
lodo anaeróbio (V
am
) é centrifugado a 3000 rpm por 10 minutos, o sobrenadante descartado, o
lodo ressuspenso em água destilada e novamente centrifugado. O lodo lavado é adicionado a
uma cápsula e aquecido em estufa a 105ºC por cerca de 12 h, resfriada em dessecador e
pesada até peso constante (P2). A cápsula é, então, novamente levada à mufla a 550ºC por 30
minutos, resfriada e pesada (P3). A concentração de sólidos voláteis suspensos (SVS) é
calculada pela equação A.2.
)
2
.
(
10
*
)
(
6
3
2
A
V
P
P
SVS
am
−
=
Sendo:
SVS = sólidos voláteis suspensos (mg/L)
P
2
= peso cápsula após estufa a 105ºC (g)
P
3
= peso cápsula após mufla (g)
V
am
= volume da amostra (mL)
Referência: Standard methods.
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