As células microbianas podem se agregar na forma de flocos e biofilmes. Estas estruturas têm despertado grande interesse nos processos biotecnológicos e no tratamento de esgotos industriais e domésticos pela facilidade de separar a biomassa do corpo líquido.
Segundo Nicolella et al.(2000a), o biofilme pode ser definido como uma estrutura complexa de células e produtos extra celulares, como polímeros, no qual formam-se espontaneamente grânulos densos ou crescem aderidos a uma superfície sólida estática ou ainda em uma superfície sólida suspensa.
No campo da biotecnologia ambiental, o motivo pelo interesse do uso do biofilme é descrito na tabela 3.2.
Tabela 3.2: Razões do interesse pelo uso de biofilmes. Fonte Nicolella et al. (2000a)
Vantagens do uso de biofilmes no campo da biotecnologia ambiental
1 - Capacidade de tratar grandes volumes de solução;
2 – A existência de uma diversidade de microrganismos na estrutura do biofilme;
3 – Os sistemas podem ser operados com alta concentração de biomassa, sem a necessidade de sedimentar a biomassa retida. Apenas um tratamento posterior do efluente é necessário para remover o restante da biomassa suspensa (Desprendida).
Os tratamentos biológicos podem ser agrupados em duas categorias, segundo o mecanismo de crescimento e sustentação da biomassa: crescimento disperso e crescimento aderido. Nos sistemas de crescimento disperso não há estruturas de sustentação da biomassa. São exemplos desses sistemas as lagoas de estabilização, lodos ativados e reator anaeróbio de fluxo ascendente.
Os reatores de leito fluidizado pertencem à categoria de tratamentos com crescimento aderido, em que a biomassa cresce sobre um meio suporte, formando um biofilme. O meio suporte pode ser constituído por um material sólido natural (pedra, areia, solo) ou artificial (plásticos) ou, ainda, pela aglomeração da própria biomassa, constituindo grânulos, como no caso dos reatores anaeróbios de fluxo ascendente, UASB.
O transporte de massa ou, no caso, substrato por processos difusivos nos flocos e biofilmes é resultado da existência de um gradiente de concentração nas suas proximidades. A profundidade da penetração do substrato depende da porosidade, concentração do substrato, da taxa de transferência de massa na interface líquido-biofilme e líquido-flocos e da taxa de reação dos microrganismos (Nicolella et al, 2000a). A relevância relativa desses fatores depende da estrutura física e propriedades estruturais dos flocos e biofilmes. Desta maneira os transportes de massa são geralmente mais rápidos em flocos devido a seu pequeno tamanho e sua alta porosidade. Seguindo esta linha de raciocínio poderia ser considerado desvantajoso o uso de biofilmes aderidos em partículas sólidas, entretanto, a alta velocidade de sedimentação colabora na retenção da biomassa.
Os compostos necessários para o desenvolvimento bacteriano são adsorvidos à superfície do biofilme, sendo em seguida transportados por difusão através do biofilme, e
metabolizados pelos microrganismos. Sólidos de natureza coloidal ou suspensa necessitam antes ser hidrolizados a moléculas menores. Os produtos finais do metabolismo são transmitidos em sentido contrário, na direção da fase líquida. A figura 3.5, extraída de Von Sperling (1996), ilustra o funcionamento do biofilme no tratamento de esgotos.
Figura 3.5: Representação esquemática de um biofilme. Adaptado de Von Sperling (1996)
Nos reatores aeróbios, como os de leito fluidizado, o oxigênio é consumido à medida que penetra no biofilme, até atingir valores que determinam condições anóxicas ou anaeróbias. Podem desenvolver-se, portanto, duas camadas no biofilme, dependendo da quantidade de O.D. no fluido externo e da espessura do biofilme. Os gradientes de concentração resultantes do processo e o estabelecimento de camadas no biofilme são ilustrados pela figura 3.6, adaptada de Lubberding (1995, apud Von Sperling, 1996), por Von Sperling.
Figura 3.6: Gradientes de concentração de substrato (S) em biofilmes de diferentes espessuras. Adaptado de Von Sperling (1996)
Os biofilmes podem se desenvolver em praticamente qualquer superfície exposta a um ambiente aquoso. O desenvolvimento de um biofilme sobre uma superfície exposta ao escoamento de um fluido é resultado de vários processos físicos, químicos e biológicos, incluindo os seguintes (Trulear e Characklis, 1982):
9 transporte e adsorção de moléculas orgânicas à superfície; 9 transporte de células microbianas para a superfície;
9 transformações microbianas na superfície, com produção de polímeros extra-celulares que possibilitam a aderência do biofilme;
9 desbastamento do biofilme causado pela ação de tensões de cisalhamento do escoamento.
A adsorção de uma camada orgânica ocorre em minutos após a exposição de uma superfície a um fluxo contendo microrganismos dispersos, nutrientes e moléculas orgânicas. Bayer (1968, apud Trulear e Characklis, 1982) sugere que a adsorção é um pré-requisito para a fixação biológica, condicionando a superfície.
O transporte das células microbianas do meio fluido para a superfície depende do regime de escoamento, podendo ocorrer por difusão molecular ou transporte turbilhonar nos escoamentos turbulentos. Em fluidos estáticos o transporte pode ocorrer por quimiotaxia (Trulear, op. cit.).
A adesão à superfície depende da produção de polissacarídeos que atuam como ligação entre os materiais. A produção de biofilme resulta do efeito combinado da reprodução celular e da produção de polímeros extra-celulares.
A taxa de produção do biofilme depende da difusão de nutrientes no interior do biofilme, seguindo-se sua síntese como biomassa. Desta forma, a depleção de oxigênio ou de nutrientes nas camadas internas do biofilme pode afetar significativamente o processo de produção (Trulear, op.cit.).
Simultaneamente ao desenvolvimento do biofilme, ocorre o processo de desbastamento, em que porções do biofilme são retiradas pelo fluxo, em um processo que depende fortemente das condições hidrodinâmicas do escoamento. Além do cisalhamento, pode ocorrer a diminuição de biomassa pelo desprendimento (“sloughing”) de porções massivas do biofilme, fenômeno atribuído à depleção de oxigênio e nutrientes nas camadas interiores do biofilme. Esse fenômeno é notado com mais freqüência em filmes menos densos, que se desenvolvem em condições de escoamento com baixo cisalhamento.
Todos esses processos ocorrem simultaneamente, embora em ocasiões específicas alguns deles possam contribuir mais que os outros.
Segundo Iwai e Kitao (1994), o processo de formação do biofilme ocorre em três estágios, cujas características são apresentadas na tabela 3.3.
A espessura do biofilme aderido afeta a taxa de remoção do substrato nos reatores. Segundo Hoehn e Arliss (1973), em biofilmes finos (espessuras entre 0,7 e 120µm) a taxa de degradação do substrato é determinada pela população microbiana presente. Se aumentar o número de microrganismos presentes nessas condições, a taxa de remoção também aumentará. Esse tipo de situação leva a taxas de remoção que podem ser representadas pela equação de Monod, segundo Andrews e Trapasso (1985), dentre outros que observaram o mesmo fenômeno, citados por Safferman e Bishop (1996).
Em um biofilme espesso a difusão passa a ser o fator limitante e não mais a taxa de biodegradação. Desta forma, nessas situações, a degradação do substrato passa a depender da sua concentração no fluido em escoamento, resultando numa reação de primeira ordem. Um acréscimo de espessura além de um valor crítico, portanto, não causa melhoria na eficiência do tratamento, para uma concentração afluente constante. Safferman e Bishop (1996), entretanto, afirmam que para um meio suporte esférico pode-se esperar um ligeiro aumento na eficiência de remoção nesses casos, devido ao aumento da área superficial, que leva a um aumento na quantidade de microrganismos ativos.
Tabela 3.3: Estágios da formação do biofilme. Fonte: Iwai e Kitao (1994)
Espessura do biofilme Características
Fina
• O filme é fino e freqüentemente não cobre toda a superfície do meio suporte; • O crescimento bacteriano se dá segundo uma taxa logarítmica;
• Todos os microrganismos crescem nas mesmas condições, com o crescimento sendo similar ao de uma biomassa dispersa.
Intermediária
• A espessura do filme torna-se maior;
• A taxa de crescimento bacteriano torna-se constante;
• A espessura da camada ativa permanece inalterada, independentemente do aumento da espessura total do filme;
• Caso o suprimento de matéria orgânica seja limitado, os microrganismos assumem um metabolismo suficiente apenas para sua manutenção, não havendo crescimento bacteriano;
• Caso o suprimento de matéria orgânica seja inferior aos requisitos para manutenção, a espessura do biofilme torna-se menor.
Elevada
• A espessura do biofilme atinge um valor bastante elevado;
• O crescimento microbiano é contraposto pelo próprio decaimento dos organismos, pelo consumo por outros organismos e pela tensão de cisalhamento;
• Partes do biofilme podem ser desalojadas do meio suporte;
• Caso o biofilme continue a crescer, sem ser desalojado do meio suporte, ocorrerão entupimentos do biofiltro.
De acordo com essas considerações, portanto, conclui-se que as maiores taxas possíveis de remoção de substrato ocorrem quando a difusão no biofilme está na iminência de tornar-se o fator limitante. Com a quantidade de biomassa resultante dessa espessura de biofilme, portanto, a operação de um reator aeróbio de leito fluidizado seria maximizada com relação à eficiência de remoção.
O desenvolvimento do biofilme é caracterizado como a diferença entre o crescimento dos microrganismos somado com a aderência e o seu desprendimento (Nicolella et al., 2000a). Esta diferença determina a estrutura física do biofilme.
A formação do biofilme é fortemente influenciada pelas condições hidrodinâmicas dos reatores, alterando sua espessura e massa específica. A condição de fluxo turbulento garante uma maior interação entre as partículas por meio do atrito, ocasionando o controle da espessura e melhorando a condição do transporte de nutrientes às regiões mais profundas através de processos difusivos.
Além do atrito, as tensões de cisalhamento entre o meio líquido e a superfície também provocam alterações de espessura. Pode-se observar o efeito do meio líquido sobre as biopartículas na figura 3.7.
Figura 3.7: Estrutura do biofilme – (a) representação esquemática da influência da concentração do substrato (aumentado da esquerda para direita) e das forças de atrito (diminuindo da esquerda para
direita); (b) simulação do biofilme sob a ação do campo de velocidades. Adaptado de Nicolella et al. (2000b)
A figura 3.7a representa o efeito das tensões entre o meio fluido e o biofilme. Estas tensões estão diminuindo da esquerda para direita, provocando uma mudança na sua superfície até o ponto de ocorrer o desprendimento do biofilme. A figura 3.7b mostra uma simulação numérica do escoamento próximo a superfície do biofilme. Podem-se observar fortes gradientes de velocidade o que sugere a existência de tensões de cisalhamento nesta região.
O aspecto negativo da influência da hidrodinâmica é que, dependendo das condições de fluxo, o desprendimento de grandes quantidades de biomassa ativa poderá ocorrer e simultaneamente o carreamento para fora do reator devido à alta velocidade de circulação.
Heijnen et al. (1991, 1992) estudaram a escolha do material particulado com relação às propriedades de formação do biofilme. De acordo com Heijnen, considerações de custo e resistência mecânica, que deve ser suficiente para suportar o esforço de atrito no reator, limitam a escolha do material.
A figura 3.8 mostra a classificação dos biofilmes e as fases de crescimento dos mesmos.
Figura 3.8: Classificação dos biofilmes segundo Heijnen et al. (1991)
Observa-se que as partículas dividem-se em três classes:
Classe 1: Baixo potencial de formação de biofilme. A cobertura de biofilme é escassa e muito