FORMULAÇÃO COMERCIAL DE BIOSSURFACTANTE PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA DO PERÓLEO D. G. ALMEIDA1,4, F. C. G. ALMEIDA 3, E. J. SILVA2, R. D. RUFINO3,4, J. M. LUNA3,4, e L. A. SARUBBO1,3,4 1
Universidade Federal Rural de Pernambuco, Rede Nordeste de Biotecnologia – UFRPE/RENORBIO 2 Universidade Federal de Pernambuco, Departamento de Química Fundamental – DEF/UFPE 3 Universidade Católica de Pernambuco, Centro de Ciência e Tecnologia – UNICAP/CCT 4 Instituto Avançado de Tecnologia e Inovação – IATI E-mail para contato:
[email protected] RESUMO – Surfactantes são moléculas anfipáticas, capazes de formar microemulsões de óleo em água. Na indústria do petróleo, surfactantes químicos vêm sendo utilizados nas principais etapas de processamento. No entanto, as limitações destas moléculas às condições extremas encontradas nestas etapas vêm abrindo espaço para aplicação dos biossurfactantes, moléculas mais resistentes, biodegradáveis e atóxicos. Sendo assim, o presente estudo objetivou formular um biossurfactante comercial para aplicação na indústria do petróleo. Para tanto, o líquido metabólico livre de células extraído de Candida tropicalis UCP0996, cultivada em resíduos industriais, foi conservado com sorbato de potássio 0,2% e submetido a estudos de estabilidade, e suas propriedades surfactantes checadas após 120 dias. Como resultado, o biossurfactante formulado se manteve estável ao longo do tempo e sob condições extremas de pH, temperatura e salinidade, demonstrando seu potencial de aplicação na indústria do petróleo.
1. INTRODUÇÃO Biossurfactantes são compostos bioquímicos anfifílicos produzidos principalmente por microorganismos em condições aeróbias em meio aquoso a partir de matérias-primas fontes de carbono, tais como carboidratos, hidrocarbonetos, gorduras, óleos ou suas misturas (Campos et al., 2013). Por conter grupos hidrofóbicos e hidrofílicos, os biossurfactantes têm a capacidade de se acumular entre as fases dos fluidos, reduzindo assim a tensão superficial e interfacial nas regiões de superfície e de interface, respectivamente (Kapadia e Yagnik, 2013). Em termos de composição química, eles são classificados em glicolipídeos, lipopeptídeos, fosfolipídeos, ácidos graxos e biossurfactantes poliméricos (Pacwa–Plociniczak et al., 2011). Os biossurfactantes oferecem diversas vantagens sobre os surfactantes químicos, especialmente com relação à biodegradabilidade, baixa toxicidade e, principalmente, sua alta atividade, mesmo em
condições extremas de temperatura, pH e salinidade (Santos et al., 2013; Kapadia e Yagnik, 2013). A indústria de petróleo constitui o maior mercado para os biossurfactantes, onde podem ser aplicadas de forma eficiente em todas as etapas da cadeia de exploração e processamento de óleo pesado (extração, transporte e armazenamento), oferecendo vantagens sobre os seus correspondentes sintéticos (Silva et al., 2014). Muitos biossurfactantes têm sido testados na recuperação melhorada de petróleo – MEOR (Perfumo et al., 2010), na limpeza de tanques de estocagem (Matsui et al., 2012), bem como na facilitação do transporte de petróleo bruto pesado por meio de oleodutos (CerónCamacho et al., 2013; Assadi and Tabatabaee, 2010). No processo de extração de petróleo, os biossurfactantes atuam reduzindo a tensão superficial da superfície óleo-rocha, diminuindo, por sua vez, as forças de capilaridade que impedem a circulação do óleo através dos poros da rocha, ajudando a melhorar o processo de recuperação de óleo a partir de um reservatório empobrecido, prolongando assim a vida útil do reservatório (Sarafzadeh et al., 2014). O petróleo bruto precisa ser transportado por longas distâncias dos campos de extração para as refinarias. Este transporte, muitas vezes, acarreta em dificuldades operacionais que limitam a sua viabilidade econômica. Dentre os principais problemas estão baixa fluidez, elevada viscosidade e alto teor de asfaltenos e parafinas presentes no petróleo bruto, o que leva problemas de deposição e consequente queda na pressão, comprometendo os gasodutos (Cerón-Camacho et al., 2013). Vários biosurfactantes de alto peso molecular são poderosos emulsificantes com extraordinária capacidade para estabilizar emulsões óleo-em-água. Devido a esta habilidade, os biossurfactantes desta classe têm aplicações potenciais na indústria do petróleo, promovendo a formação de emulsões estáveis, ajudando reduzir a viscosidade durante o transporte pelo gasoduto (Assadi and Tabatabaee, 2010). Grandes quantidades de petróleo bruto são processadas diariamente, distribuídas para refinarias e colocadas em tanques de armazenamento. A manutenção destes tanques requer lavagem periódica, uma vez que resíduos e frações pesadas do petróleo se acumulam no fundo e nas paredes dos tanques de armazenamento e se tornam depósitos sólidos de difícil remoção. O uso de biossurfactantes como um procedimento de limpeza alternativo têm se tornado promissor, uma vez que eles podem diminuir a viscosidade dos depósitos de fundo, através da formação de emulsão de óleo-em-água, facilitando o bombeamento dos resíduos. Além disso, este processo permite a recuperação do petróleo bruto quando a emulsão é quebrada (Matsui et al., 2012; Perfumo et al., 2010). Sendo assim, o presente trabalho objetivou formular um biossurfactante comercialmente estável e resistente às variações ambientais extremas com potencial para ser aplicado na indústria de petróleo.
2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Micro-organismo O micro-organismo Candida tropicalis UCP 0996 foi obtido da coleção de culturas da Universidade Católica de Pernambuco (Recife, Pernambuco). O micro-organismo foi mantido à 5ºC em tubo inclinado contendo meio Yeast Mold Agar (YMA) com a seguinte composição (p/v): extrato
de levedura (0.3%), extrato de malte (0.3%), triptona (0.5%), D-glicose (1.0%), e ágar (5.0%). Transferências foram realizadas para novos tubos com meio fresco a cada mês para manter a viabilidade.
2.2. Substratos O óleo de canola residual foi obtido de um restaurante local da cidade do Recife (estado de Pernambuco, Brasil). A milhocina foi gentilmente cedida pela empresa Corn Products Brasil, situada no município de Cabo de Santo Agostinho, estado de Pernambuco, Brasil. O melaço foi obtido a partir de uma Usina de açúcar local, da cidade de Vitória, estado de Pernambuco, Brasil. Estes resíduos serviram como principais fontes de carbono, nitrogênio e de outros nutrientes essenciais para o metabolismo da levedura.
2.3. Preparação do inóculo O inóculo foi preparado pela transferência de uma amostra de C. tropicalis UCP 0996, crescida previamente por 72h em tubo contendo meio YMA, para frascos de Erlenmeyer (500ml) contendo 100ml de meio ‘Yeast Mold Broth’ (YMB) – sem ágar. O inóculo foi incubado em Shaker orbital a 200rpm e 28ºC por 24h, e foi padronizado à concentração de 106 células/ml.
2.4. Formulação Para a formulação do biossurfactante, sorbato de potássio (0,2% p/v) foi adicionado como conservante ao líquido metabólico livre de células. Em seguida, o líquido metabólico livre de células foi dividido em frascos de armazenamento os quais foram estocados durante 0, 30, 45, 90 e 120 dias, respectivamente, à temperatura ambiente (estudo de estabilidade a longo prazo). Após cada tempo de estocagem, a estabilidade do biossurfactante foi avaliada frente a variações de pH (5.0, 7.0 e 9.0), adição de NaCl (1, 3 e 5% p/v) e aquecimento durante 30 min a 40 e 50°C, respectivamente (estudo de estabilidade acelerada). As propriedades do biossurfactante foram verificadas pela determinação da tensão superficial.
2.5. Determinação da tensão superficial A tensão superficial foi determinada no caldo livre de células obtido por centrifugação a 10,000 × g por 15 min após passar pelo processo de formulação acima descrito. A tensão foi determinada em Tensiômetro (Sigma 700, KSV Instruments Ltd., Finland), utilizando o método do anel Du Nouy à temperatura ambiente (Silva et al. 2014).
2.6. Determinação do índice de emulsificação O índice de emulsificação foi determinado utilizando o método descrito por Cooper e Goldenberg (1987).
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Um dos principais requisitos para a formulação de um bioproduto é que ele seja estável ao longo do tempo e que suas propriedades não mudem significativamente com as variações ambientais de pH, temperatura, salinidade, etc. Neste trabalho, foi verificado através dos estudos de estabilidade a longo prazo e de estabilidade acelerada que a propriedade redução da tensão superficial do biossurfactante permaneceu praticamente constante ao longo dos 120 dias de ensaio (Figuras 1A 1C).
Figura 1 – Tensão superficial do biossurfactante formulado com 0,2% de sorbato durante 120 dias variando pH (A), temperatura (B), e NaCl (C) após cada período de estocagem.
Como pode ser visto na Figura 1, o biossurfactante formulado de C. tropicalis manteve-se bastante estável através do tempo e sob variações extremas de fatores ambientais. As tensões superficiais, após cada período de estocagem, permaneceram em torno de 30 mN/m, praticamente constantes (Figuras 1A – 1C). A utilização de sorbato de potássio como conservante mostrou-se bastante viável, uma vez que não alterou as propriedades do biossurfactante e inibiu problemas de contaminação durante o tempo de estocagem. Isto dispensa custos adicionais com tratamento térmico de esterilização, o que torna o processo mais econômico do ponto de vista industrial. No que diz respeito à propriedade de emulsificação, observou-se que, de modo geral, o biossurfactante formulado promoveu uma alta taxa de emulsificação do óleo do motor (acima de 80%) em todas as condições testadas. Para o óleo de soja e óleo de milho, o biossurfactante formulado
apresentou índice de emulsificação estável em torno de 40% (Figuras 2 - 4), com pequenas alterações para óleo de soja e óleo de milho na condição na qual o pH foi igual a 9 (Figuras 2C).
Figura 2 – Índice de emulsificação do biossurfactante formulado com 0,2% de sorbato durante 120 dias variando pH de 5 (A), 7 (B), e 9 (C) após cada período de estocagem.
Figura 3 – Índice de emulsificação do biossurfactante formulado com 0,2% de sorbato durante 120 dias variando temperatura de 40°C (A) e 50°C (B), após cada período de estocagem.
Figura 4 – Índice de emulsificação do biossurfactante formulado com 0,2% de sorbato durante 120 dias variando salinidade 1% (A), 3% (B) e 5% (C) após cada período de estocagem.
Há poucos estudos que relatando sobre a formulação de biossurfactantes para diversos fins, o que faz deste trabalho uma valiosa contribuição. Campos et al. (2015) testaram um bioemulsificante de Candida utilis para formulação de seis diferentes de maionese, obtendo emulsões estáveis e resultados finais de alta qualidade. Bafghi et al. (2012) estudaram a aplicação de ramnolipídeo na formulação de um detergente. Os resultados mostraram o biossurfactante foi efetivo na remoção de óleo, com resultados equiparáveis com aqueles disponíveis comercialmente no mercado. No presente trabalho, foi formulado, testado e comprovado um biossurfactante com potencial de aplicação na indústria de petróleo, uma vez que este se mostrou bastante estável frente às variações de condições extremas de pH, temperatura e salinidade, semelhantes àquelas comumente encontradas ao longo da cadeia produtiva do petróleo.
4. CONCLUSÃO Em suma, o maior impacto deste trabalho residiu na formulação de um biossurfactante que pode ser utilizado em escala industrial em toda a cadeia de processamento do petróleo. Os resultados demonstraram um biossurfactante estável, de baixo custo e promissor do ponto de vista comercial.
6. REFERÊNCIAS ASSADI, M.; TABATABAEE, M.S. Biosurfactants and their use in upgrading petroleum vacum distillation residue: A review. Int. J. Environ. Res., v. 4, p. 549–572, 2010. BAFGHI, M. K.; Fazaelipoor, M. H. Application of Rhamnolipid in the Formulation of a Detergent. J Surfactants Detergents., v.15, p. 679-684, 2012. CAMPOS, J.M.; STAMFORD, T.L.M.; SARUBBO, L.A.; LUNA, J.M.; RUFINO, R.D.; BANAT, I.M. Microbial biosurfactants as additives for food industries. Biotechnol. Prog., v.29, p. 1097–1108, 2013. CERÓN-CAMACHO, R.; MARTÍNEZ-PALOU, R.; CHÁVEZ-GÓMEZ, B.; CUÉLLAR, F.; BERNAL-HUICOCHEA, C.; CLAVEL, J.C.; ABURTO, J. Synergistic effect of alkyl-O-glucoside and -cellobioside biosurfactants as effective emulsifiers of crude oil in water. A proposal for the transport of heavy crude oil by pipeline. Fuel., v. 110, p. 310–317, 2013. COOPER, D.G., GOLDENBERG, B.G. Surface active agents from two Bacillus species. Appl. Environ. Microbiol., v. 53, p. 224–229, 1987. Exp. Biol. Sci., v.4, p. 1–8, 2013. KAPADIA, S.G.; YAGNIK, B.N. Current trend and potential for microbial biosurfactants. Asian J. MATSUI, T.; NAMIHIRA, T.; MITSUTA, T.; SAEKI, H. Removal of oil tank bottom sludge by novel biosurfactant, JE1058BS. J. Jpn. Pet. Inst., v. 55, p. 138–141, 2012. PACWA–PLOCINICZAK, M.; PLAZA, G. A.; PIOTROWSKA–SEGET, Z.; CAMEOTRA, S. S. Environmental applications of biosurfactants: Recent advances. Int. J. Mol. Sci., v. 13, p. 633–654, 2011. PERFUMO, A.; RANCICH, I.; BANAT, I.M. Possibilities and challenges for biosurfactants use in petroleum industry. Adv. Exp. Med. Biol., v. 672, p. 135–145, 2010.
