remoção de cádmio utilizando reator de leveduras imobilizadas

Transcrição

REMOÇÃO DE CÁDMIO UTILIZANDO REATOR DE
LEVEDURAS IMOBILIZADAS
ALINE CORECHA SANTOS - Bolsista PIBIC/CNPq
[email protected]
LUCIA BECKMANN C. MENEZES – Profa. Adjunto, Doutora
[email protected]
Departamento de Engenharia Química, Centro Tecnológico
1- ABSTRACT
The objectives of this paper was to verify the efficiency of removal of cadmium for
baker yeasts, immobilized in a reactor and to obtain a representative equation of the
biosorption process, through the use of the techniques of fractional fatorial project and of
methodology of answer surface. The experiments drove to a maximum efficiency of removal
of 88% and the statistical analysis showed that of the seven variables used (diameter of the
globules, flow rate, concentration of glucose, height of the bed, initial concentration of the
metal, time of operation and metal type), the three initials variables they could be established
for the second stage of the experiments, because they did not influence the process. The final
equation was:
2
2
y = 26,31 − 8,31t + 16,18Ci − 6,37 h + 2,12Ci + 0,87 h − 6,4tCi − 3,79Cih
2- INTRODUÇÃO
Uma atenção especial vem sendo dada aos problemas gerados pela poluição
ambiental, com isso têm surgido oportunidades à aplicação de novas tecnologias para a
remoção de metais presentes no meio aquoso. Entre eles, está o metal cádmio que é utilizado
em diversos processos na indústria, constituindo fontes de poluição do meio ambiente.
Quando ingerido pode causar sérios danos nos seres vitais da natureza, sendo
comprovadamente um agente cancerígeno e tóxico mesmo em concentrações baixas
(ALBERT, 1988).
Diante dos problemas causados pelo cádmio, são importantes estudos que visem um
menor impacto deste metal no ambiente e para isso, optou-se pelo uso de um processo
alternativo à processos convencionais, explorando a biotecnologia, com a utilização, neste
caso, de leveduras imobilizadas (VOLESKY & HOLAN, 1995).
3- METODOLOGIA
O processo consistiu em fazer circular através de um bioreator ( Figura 1 ) ,cujo leito
é composto de leveduras imobilizadas em alginato de sódio, 5 litros da solução contendo
cádmio, por um tempo pré-determinado .
As amostras foram coletadas a cada 30 minutos e posteriormente, as concentrações
dos metais foram determinadas por espectrofotometria de absorção atômica, de acordo com
APHA (1995).
Revista Científica da UFPA http://www.ufpa.br/revistaic Vol 3,
março
2002
Figura 1 - Esquema do Reator
Como o programa experimental envolve um grande número de variáveis, a primeira
etapa da metodologia experimental empregada foi a metodologia do projeto fatorial
fracionário 27-3, sendo realizadas duas séries experimentais.
As variáveis de entrada (Tabela 1) foram selecionadas e escalonadas em dois níveis
para cada uma, um valor baixo e um alto, identificadas na matriz por -1 e +1 respectivamente
( Tabela 2) , condição obrigatória para a execução do projeto fatorial, sendo a concentração
final do metal a variável de resposta (BOX, HUNTER & HUNTER, 1978).
Tabela 1 - Variáveis de entrada e níveis para a primeira série experimental
Variável
A
B
C
D
E
F
G
Diâmetro dos glóbulos
Tempo de operação
Vazão volumétrica da solução
Concentração de glicose para
imobilização
Altura do leito
Concentração inicial do metal
Metal
Unidades
mm
Hora
ml/s
Níveis
Valor alto Valor baixo
(+1)
(-1)
0,73
0,66
4
2
3,875
3,039
mg/l
100
50
cm
mg/l
Cd/Cu
25
50
Cádmio
15
40
Cobre
março
2002
Tabela 2 - Matriz da primeira série de experimentos
Corrida
ø do
glóbulo
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
1
-1
1
-1
1
1
1
-1
-1
-1
1
-1
1
-1
-1
Tempo Vazão
1
-1
1
1
1
-1
1
-1
1
-1
-1
1
-1
-1
-1
1
1
1
-1
-1
1
1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
-1
-1
Conc de
glicose
-1
-1
1
-1
-1
1
1
1
1
1
1
1
-1
-1
-1
-1
Altura do leito Conc. Metal Metal
1
-1
1
-1
-1
-1
1
1
-1
-1
1
-1
1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
-1
1
1
1
1
-1
-1
1
-1
-1
1
-1
-1
1
1
1
1
1
-1
-1
1
-1
-1
1
1
-1
-1
A segunda etapa consistiu da metodologia de superfície de resposta, com o objetivo de
se obter um modelo estatístico representativo e capaz de predizer o rendimento do reator em
função das suas variáveis mais significativas para o processo, utilizando um projeto composto
(BARROS NETO, SCARMINIO & BRUNS, 1995)
O projeto composto consistiu de um projeto fatorial completo em dois níveis 23, cujo
expoente é o número de variáveis independentes, acrescido de um número de experimentos
igual a duas vezes o expoente posicionados nos eixos coordenados do projeto fatorial,
(±α,0,0), (0,±α,0), (0,0,±α), onde α é a distancia do ponto central ao ponto estrela e 8
repetições do experimento sobre o ponto central. Calculou-se α = ±1,68 conforme o descrito
por KHURI & CORNELL apud TAQUEDA et al. (1998), utilizando-se as equações de 1 a 4.
(
N C = 0,8385 n f + 2
)
2
− n f − nα (1)
n f = 2 K = 23 = 8
(2)
nα = 2 K = 6
(3)
1
α = nf4
(4)
O processo admite que se fixe as variáveis que o projeto fatorial fracionário
identificou como sem efeito significativo sobre a variável de resposta. Os parâmetros fixados
estão sumarizados na Tabela 3. Portanto, verifica-se que ficaram apenas 3 variáveis para
serem trabalhadas na Metodologia de Superfície de Resposta, que serão denominadas a partir
março
2002
de agora de, variáveis independentes e estão apresentadas na Tabela 4, assim como os seus
respectivos níveis.
Tabela 3 - Parâmetros fixados
Variável
Unidades
Níveis
mm
ml/s
mg/l
0,66
3,875
50
Diâmetro do glóbulo
Vazão volumétrica da solução
Concentração inicial para imobilização
Tabela 4 - Variáveis selecionadas e níveis
Variável
A
B
C
Tempo de operação
Concentração inicial do metal
Altura do leito
Níveis
Unid.
+1
0
+α
min. 220' 55" 180 120
mg/l 93,64
80 60
cm
32,41
20 15
-1
60
40
10
-α
19' 54"
26,36
6,59
A Tabela 5 representa a matriz de experimentos utilizada nesta segunda etapa do
projeto.
Tabela 5 - Matriz experimental
CORRIDA
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
TEMPO CINICIAL ALTURA C FINAL
(min)
(mg/L)
(cm)
(mg/L)
1
1
1
1
-1
-1
-1
-1
-1,68
1,68
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
-1
-1
1
1
-1
-1
0
0
-1,68
1,68
0
0
0
0
0
0
0
0
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
0
0
0
0
-1,68
1,68
0
0
0
0
0
0
18,40
34,60
4,05
9,80
51,70
71,30
16,45
16,20
32,55
17,95
6,20
60,50
43,40
16,25
25,05
26,50
26,35
29,20
25,50
24,90
março
2002
A partir dos resultados obtidos, representados na Tabela 5, foi então encontrada a
equação polinomial que representará o sistema, ou seja, o processo de biosorção através de
leveduras imobilizadas para captação de cádmio.
4- RESULTADOS E DISCUSSÃO
Durante o experimento houve uma ligeira expansão e compressão do leito de células
imobilizadas e alteração em sua coloração, porém, sem exercer grande influência nos
resultados finais.
O processo apresentou para a primeira série experimental uma eficiência na remoção
do cádmio variando no intervalo de 86 a 69%, sendo mais presente na faixa de 81 a 76%
(Tabela 6). O menor valor de concentração final encontrado foi de 5,30 ppm.
Tabela 6 - Eficiência da remoção na 1° série de experimentos
Corrida
3
4
5
6
7
10
13
14
Concentração inicial
Ppm
37,9
49,7
42,4
39,1
44
46
44
36
Concentração final
Ppm
5,3
11,8
7,9
11,3
8
14
12
8
Eficiência
%
86,02
76,26
81,37
71,10
81,82
69,57
72,73
77,78
Tempo
Hora
4
4
4
2
4
2
2
2
Na Figura 2, verifica-se uma queda acentuada da concentração do metal na primeira
meia hora de processo, prosseguindo na segunda meia hora, porém, de forma menos
acentuada e com uma tendência em torno de um determinado valor.
45
Concentração (ppm)
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Tempo (Hora)
Figura 2 - Variação da concentração com o tempo para uma concentração
inicial de cádmio de 42,4 mg/l.
março
2002
A análise estatística dos dados da segunda série experimental conduziu às
mesmas conclusões obtidas pela análise dos dados da primeira série experimental.
Na Metodologia da Superfície de Resposta, foi utilizado a aplicativo Statistics, e
alguns dados gerados por ele, estão apresentados nas tabelas de 7 e 8.
Tabela 7 : Coeficientes de Regressão
EXPERIMENTOS
ESTATÍSTICOS
Fator
Mean/Interc.
(1) TEMPO – HO (L)
TEMPO – HO (Q)
(2) CINICIAL(L)
CINICIAL(Q)
(3) ALTURA M(L)
ALTURA M(Q)
1L by 2L
1L by 3L
2L by 3L
Coeficiente de Regressão; Var.: CFINAL M; R-sqr= 0,96317; Adj: 0,93003
3 fatores, 1 Bloco, 20Corridas; MS Puro Erro= 2,52
DV: CFINAL – M
Coeficiente Puro Erro
t (5)
p
- 90,%
+ 90, %
Regressão.
Cnf. Limite Cnf. Limite
26,31231* ,647393*
40,6435*
,000000*
25,00779* 27,61684*
-8,30558*
,429751*
-19,3265*
,000007*
-9,17155*
-7,43961*
-,74932
,418833
-1,7891
,133624
-1,59329
,09464
16,17642* ,429751*
37,6414*
,000000*
15,31045* 17,04239*
2,12057*
,418833*
5,0631*
,000000*
1,27661*
2,96454*
-6,36961*
,429751*
-14,8216*
,003890*
-7,23557*
-5,50364*
,87164*
,418833*
2,0811*
,000025*
,02767*
1,71561*
-6,40000
,561249*
-11,4031*
,091932*
-7,53054*
-5,26906*
-,32500
,561249
-,5791
,587652
-1,45594
,80594
-3,78750*
,561249*
-6,7483*
,001084*
-4,91844*
-2,65656*
Tabela 8: ANOVA
EXPERIMENTOS
ESTATÍSTICOS
Fator
(1) TEMPO – HO (L)
TEMPO – HO (Q)
(2) CINICIAL(L)
CINICIAL(Q)
(3) ALTURA M(L)
ALTURA M(Q)
1L by 2L
1L by 3L
2L by 3L
Falta de ajuste
Puro Erro
Total SS
ANOVA; Var.: CFINAL M; R-sqr= 0,96317; Adj: 0,93003 (cad01.sta)
3 fatores, 1 Blocos, 20 Corridas; MS Puro Erro= 2,52
DV: CFINAL - M
SS
dt
MS
F
P
941,255*
1*
941,255*
373,514*
,000007*
8,066
1
8,066
3,201
,133624
3570,524*
1*
3570,524*
1416,875*
,000000*
64,599*
1*
64,599*
25,635*
,003890*
553,595*
1*
553,595*
219,681*
,000025*
10,914*
1*
10,914*
4,331*
,091932*
327,680*
1*
327,680*
130,032
,000091*
,845
1
,845
,335
,587652
114,761*
1*
114,761*
45,540*
,001084*
201,313
5*
40,263*
15,977*
,004289*
12,600
5
2,520
5808,681
19
Na Tabela 8, observa-se que as variáveis tempo (L), concentração inicial (L),
altura (L) e a interação linear entre tempo e concentração inicial , são as que apresentam
maior significância estatística para a variável resposta. Isto é observado pelos valores
numéricos da coluna de probabilidade (P), na Tabela 8. A interação linear tempo x altura é a
que tem menor significância para a variável resposta, que é a concentração final.
A interpretação obtida através da Figura 3, que é o gráfico de estimativa dos efeitos,
confirma esta última afirmativa e mostra ainda que as variáveis tempo e altura quadráticos,
estão no limite da significância estatística. As variáveis à direita da linha pontilhada
vermelha, são os que apresentam efeitos significativos.
março
2002
3 fatores, 1 Bloco, 20 Corridas; MS Puro Erro=2,52
p=,1
(2)CINICIAL(L)
37,64139
(1)TEMPO(L)
-19,3265
(3)ALTURA(L)
-14,8216
1Lby2L
-11,4031
2Lby3L
-6,74835
CINICIAL(Q)
5,063056
ALTURA(Q)
2,081109
TEMPO(Q)
-1,78908
1Lby3L
-,579066
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Estimativa dos Efeitos (valores absolutos)
Figura 3: Gráfico de Estimativa dos Efeitos
Na Figura 4 pode-se verificar que os valores das variáveis encontram-se bem
distribuídos, próximos à linha média, o que significa que o modelo está descrevendo bem os
dados experimentais.
80
70
60
Valores Preditos
50
40
30
20
10
0
-10
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Valores Observados
Figura 4: Gráfico dos valores observados e dos valore preditos
As Figuras 5, 6 e 7 representam a superfície de resposta. Observando-se as figuras
verifica-se que a região que apresenta o verde mais intenso é onde se encontram as menores
março
2002
concentrações, ou seja, os menores valores para a variável de resposta, que é o objetivo
principal dos experimentos.
1,488
6,824
12,160
17,497
22,833
28,170
33,506
38,843
44,179
49,516
above
Figura 5: Gráfico de Superfície de Resposta altura e tempo
10,809
19,580
28,352
37,123
45,895
54,666
63,438
72,209
80,980
89,752
above
Figura 6: Gráfico de Superfície de Resposta altura e C inicial
março
2002
0,993
11,529
22,066
32,603
43,140
53,677
64,214
74,751
85,288
95,824
above
Figura 7: Gráfico de Superfície de Resposta C inicial e tempo
Feita a análise estatística dos dados experimentais e interpretando os resultados
apresentados na Tabela 7, coeficientes de regressão, pode-se finalmente escrever a equação
do modelo matemático (Eq. 5) que representa a biosorção de cádmio por leveduras
imobilizadas, nas condições experimentais descritas.
y = 26,31 − 8,31t + 16,18Ci − 6,37h + 2,12Ci 2 + 0,87h 2 − 6,4tCi − 3,79Cih
(5)
sabendo-se que
X 1 = t ; X 2 = Ci ; X 3 = h
5- CONCLUSÕES
Diante dos resultados obtidos no experimento, verificou-se que a eficiência de
remoção do cádmio para a primeira série experimental, variou entre 86 a 69% e para a
segunda série, variou entre 88 a 61%.
A concentração inicial não influenciou positivamente na superfície de resposta,
entretanto, por possuir menor probabilidade de estar dentro da região de hipótese nula,
confirma assim, as variáveis que mais influenciam no processo, altura do leito, concentração
inicial do metal e tempo de operação, além do tipo de metal.
Analisando a influência estatística das variáveis selecionadas e de suas combinações
binárias, foi possível propor a equação polinomial abaixo, que representa o processo de
biosorção para a remoção do metal cádmio presente em efluentes:
2
2
y = 26,31 − 8,31t + 16,18Ci − 6,37 h + 2,12Ci + 0,87 h − 6,4tCi − 3,79Cih
março
2002
Com base nos resultados, verificou-se que a realização do processo de biosorção
ocorreu de forma satisfatória, viabilizando o uso do reator com leito de leveduras
imobilizadas, para efetuar remoção.
Vale salientar que para a utilização do reator, há a necessidade de apenas uma
bomba para o seu funcionamento, garantindo assim, um gasto de energia limitado. Além
disso, outra grande vantagem deste processo, é a eficácia da utilização de microorganismos
de fácil manipulação e obtenção no comércio local, como as leveduras de panificação.
6- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
•
•
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ALBERT, L. A. Curso básico à toxicologia ambiental. México, Ed. Limusa S.A.,1988.
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março
2002

remoção de cádmio utilizando reator de leveduras imobilizadas

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