Quitosana funcionalizada como floculante de base biológica para o tratamento de águas residuais complexas

Como floculante funcionalizado, o LaChiPur remove não apenas sólidos suspensos, mas também fenóis da água de enxágue na produção de vinho tinto. Crédito:Fraunhofer IGB

Pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Engenharia Interfacial e Biotecnologia IGB desenvolveram um floculante de base biológica e funcionalizado para tratar com eficiência águas residuais complexas. Além disso, os fenóis tóxicos são removidos da água pela enzima lacase numa matriz de quitosana. O floculante funcionalizado e degradável LaChiPur será apresentado pela primeira vez na IFAT em Munique, realizada de 13 a 17 de maio de 2024.

Através da floculação, as impurezas sólidas mais finas são removidas durante a purificação de águas residuais e tratamento de água. Os floculantes fazem com que os sólidos suspensos se aglomerem em flocos maiores, que afundam ou podem ser filtrados – a água fica límpida novamente.

Sais metálicos inorgânicos, como sulfatos e cloretos de ferro ou alumínio, são frequentemente utilizados para remover substâncias húmicas no tratamento de água potável, para tratar água de processo durante a produção de papel ou para precipitar fósforo em estações de tratamento de águas residuais municipais. Em alguns casos, são incluídos adicionalmente floculantes poliméricos, polímeros sintéticos produzidos a partir de recursos fósseis.

A desvantagem óbvia dos métodos convencionais:devido aos produtos químicos ou polímeros adicionados, o lodo resultante não pode ser reutilizado e tem que ser descartado com grandes custos.

É por isso que os pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Engenharia Interfacial e Biotecnologia IGB recorreram à quitosana natural e totalmente biodegradável. Isto é obtido a partir da quitina renovável, que está contida como componente estrutural nas cascas dos crustáceos, nas cascas e peles dos insetos e nos fungos, tornando a quitina um dos polímeros naturais mais comuns na Terra – perdendo apenas para a celulose vegetal.

Nova tecnologia com matérias-primas naturais de base biológica

Produtos químicos para tratamento de água à base de quitosana já estão disponíveis para purificar piscinas e lagos. No entanto, os pesquisadores da Fraunhofer estão levando essa abordagem um passo adiante, funcionalizando adicionalmente a quitosana com a enzima lacase. A enzima é encontrada em várias plantas, fungos e bactérias.

Na natureza, as lacases estão envolvidas tanto na ligação de monômeros aromáticos para formar lignina quanto na sua remoção. Devido à sua capacidade de oxidar fenóis e outras substâncias fenólicas, são muito procurados para diversas aplicações industriais, seja durante a remoção de fenóis tóxicos em sucos de frutas, na descoloração de águas residuais têxteis ou na remoção de poluentes na água e no solo.

"Nossa ideia era que a lacase - ligada à quitosana como matriz - também poderia ser adequada para águas residuais complexas, como aquelas geradas durante a produção de vinho ou azeite", diz o Dr. Thomas Hahn, cuja pesquisa no Fraunhofer IGB compreende a purificação de quitina de uma ampla variedade de fluxos de resíduos e sua subsequente conversão em quitosana.

Após a colheita das uvas, as estações de tratamento de águas residuais municipais atingem rapidamente os seus limites quando três a quatro vezes o volume normal de águas residuais chega às estações de tratamento de águas residuais predominantemente pequenas nas zonas vitícolas rurais.

"Os fenóis nas águas residuais têm um efeito tóxico sobre as bactérias no tanque de arejamento. Como resultado, o arejamento tem de ser aumentado, o que aumenta significativamente as necessidades energéticas da estação de tratamento de águas residuais", diz Marc Beckett, especialista em gestão de água. e tratamento de água no IGB.

Nos lagares de azeite, as águas residuais da lavagem e extracção do azeite são frequentemente armazenadas em grandes tanques de recolha, onde a água evapora com o tempo e deixa para trás uma lama que é tóxica para a flora e a fauna.

A ideia se transformou em um projeto de pesquisa Fraunhofer de dois anos. A equipe do IGB fez parceria com o Instituto Fraunhofer de Pesquisa Aplicada de Polímeros IAP em Potsdam, que trabalhou na funcionalização da quitosana com lacase.

Para poder testar o efeito da quitosana funcionalizada com lacase usando águas residuais reais, os pesquisadores do IGB estabeleceram primeiro a metodologia e a análise correspondentes. “Um dos desafios foi dissolver a quitosana polimérica, permitindo que ela fosse dosada como floculante e desenvolvesse seu efeito de ligação de polifenóis e taninos”, lembra Hahn.

“Como um ambiente ligeiramente ácido é ideal para a lacase, obtivemos imediatamente resultados muito promissores para as águas residuais típicas da produção de vinho ou azeite”, afirma o químico.

Substâncias fenólicas também são removidas

"Nossa tecnologia alcança um desempenho de floculação para águas residuais agroindustriais complexas que é comparável ao de coagulantes convencionais contendo sais metálicos ou floculantes de polímeros sintéticos. No entanto, LaChiPur, como chamamos nosso produto funcionalizado, é completamente de base biológica e, portanto, biodegradável", resume Beckett, biólogo e cientista ambiental.

A combinação com lacase mostrou-se uma vantagem real com este efluente, pois a quitosana funcionalizada pode ser utilizada como floculante, ao mesmo tempo que oxida e polimeriza fenóis.

Produção local e diversas aplicações

Outras vantagens da nova tecnologia amiga do ambiente:a matéria-prima quitina é produzida localmente em grandes quantidades como resíduos na indústria alimentar ou biotecnológica. Isto garante a produção económica e a segurança do abastecimento – sem as dependências das cadeias de abastecimento internacionais interligadas. Se o lodo degradável produzido após a floculação for fermentado em estações de tratamento de esgoto, isso poderá aumentar significativamente o rendimento de biogás.

“Graças à nossa experiência interdisciplinar, podemos agora examinar as águas residuais e a água de processo produzidas em empresas industriais no nosso laboratório para ver como a água tratada com LaChiPur é purificada”, dizem Hahn e Beckett.

Com base nos resultados iniciais promissores, os pesquisadores também querem otimizar ainda mais sua tecnologia com pequenas e médias empresas que vendem ou fabricam floculantes, transferi-la para uma escala maior e colocá-la em aplicação industrial.

"Além disso, o LaChiPur é adequado como material filtrante e possui propriedades de precipitantes. Também buscamos desenvolver nosso produto para uso na precipitação de fósforo. Devido às suas propriedades, também é de interesse para a purificação de águas residuais têxteis ou para uso em água potável. tratamento de água", estão convencidos os cientistas do IGB.

De 13 a 17 de maio de 2024, eles apresentarão o LaChiPur no estande conjunto da Fraunhofer Water Systems Alliance (SysWasser) no corredor B2, estande 338 na IFAT em Munique.

Fornecido pelo Instituto Fraunhofer de Engenharia Interfacial e Biotecnologia IGB

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