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Title: Estudo cinético da produção de ramnolipídeo pela Pseudomonas aeruginosa e sua aplicação na recuperação avançada de petróleo
Other Titles: Kinetic Study of the rhamnolipid production by Pseudomonas aeruginosa and its application in enhanced oil recovery
Authors: Câmara, Jéssica Maria Damião de Arruda
Keywords: Ramnolipídeo;Pseudomonas aeruginosa;Otimização;Cinética de produção;Microbial Enhanced Oil Revovery (MEOR)
Issue Date: 22-Jul-2019
Citation: CÂMARA, Jéssica Maria Damião de Arruda. Estudo cinético da produção de ramnolipídeo pela Pseudomonas aeruginosa e sua aplicação na recuperação avançada de petróleo. 2019. 143f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2019.
Portuguese Abstract: Os biossurfactantes apresentam uma alternativa ao uso dos surfactantes sintéticos, principalmente quando se leva em consideração suas vantagens de maior biodegradabilidade, maior estabilidade e menor toxicidade. Dentre estes, o ramnolipídeo, produzido pela Pseudomonas aeruginosa, configura-se como um dos mais interessantes biossurfactantes, devido aos seus rendimentos elevados e sua aplicabilidade na recuperação avançada de petróleo. Entretanto, sua aplicação em larga escala tem sido um desafio para as empresas, uma vez que os custos de produção são elevados, por causa, principalmente, dos processos downstream de purificação. Diante disso, neste trabalho a produção de ramnolipídeo por uma cepa de Pseudomonas aeruginosa foi investigada e otimizada. Foi utilizado o planejamento Plackett-Burman, para selecionar as variáveis que afetavam significativamente o rendimento da produção do biossurfactante, e o planejamento Composto Central, para otimizar a produção de ramnolipídeo. Posteriormente, foi realizada a modelagem cinética, no qual foram testados quatro modelos não-estruturais, e os parâmetros foram otimizados através do Algoritmo Genético e discretização numérica pelo método de Runge-Kutta. O biossurfactante produzido foi caracterizado e avaliado quanto a sua capacidade de ser utilizado na recuperação melhorada por microrganismo (MEOR), por fim, foi investigada a influência da etapa de purificação na habilidade do ramnolipídeo de aumentar a produção de óleo após o processo de recuperação convencional. Os resultados obtidos mostraram que os valores ótimos de temperatura, pH, razão carbono/nitrogênio, concentração de glicerol e tempo (variáveis selecionadas pelo planejamento experimental estatístico) são, respectivamente, 30,17°C, 7,37, 32,35, 9.36% v/v e 10,26 dias. O biossurfactante produzido também apresentou uma taxa de emulsificação, aproximadamente 67% para o n-hexano e 69% para o petróleo, e uma capacidade de reduzir a tensão superficial da água de 72 para 35,26 mN/m a uma c.m.c. de 127 mg/L. Além disso, o ramnolipídeo também apresentou uma boa estabilidade para amplas faixas de pH e salinidade. Essas características o configuraram adequado para a aplicação em MEOR. Os parâmetros cinéticos, de quatro modelos não-estruturados, para os dados experimentais de quatro curvas de produção de ramnolipídeo foram otimizados pelo método do algoritmo genético e o principal resultado demonstrou que o modelo de Monod é o que melhor prediz os dados, com valores de µmáx igual a 0,06 h -1 , KS igual a 50,8 g/L, YX/S igual a 0,43 g/g e YP/X igual a 0,017 g/g. Os testes de recuperação avançada demonstraram que o ramnolipídeo pode recuperar óleo de forma eficiente, obtendo o melhor resultado para uma concentração de biossurfactante de 100% acima da c.m.c. e petróleo com grau API de 21,90, o qual foi possível atingir uma recuperação total de 50,45±0,79%, do qual 11,91±0,39% corresponde ao MEOR. Além disso, foi evidenciado que a biodegradabilidade do ramnolipídeo não representou uma desvantagem e que maiores investimentos em processos de purificação para o bissurfactante podem não ser necessários, uma vez que este manteve sua capacidade em aumentar o fator de óleo recuperado, mesmo após dois meses de sua produção. Com relação aos testes com o ramnolipídeo não-purificado, este apresentou maiores fatores de recuperação, quando comparado com o purificado, para os três tipos de óleo estudados.
Abstract: The biosurfactants displays an alternative to the use of synthetic surfactants, especially when considering their advantages of less toxicity, greater biodegradability and stability. Among these biosurfactants, the rhamnolipid, produced by Pseudomonas aeruginosa, has been presenting itself as one of the most notable biosurfactants as a result of its high performance and applicability in advanced petroleum recovery. However, the large scale application of rhamnolipids has been a challenge to companies since the costs of production are high, due to, mainly, the downstream purification process. Therefore, in this study the production of rhamnolipid by a strain of Pseudomonas aeruginosa was investigated and optimized. The Plackett-Burman design was used to select the variables that affect significantly the production yield of the biosurfactant and the Central Composite design was used to optimize the rhamnolipid production. Afterwards, the kinetic modeling was performed, in which four non-structural models were tested, and the parameters were optimized through the genetic algorithm and the numeric discretization by the Runge-Kutta method. The biosurfactant produced was characterized and evaluated regarding its capacity of being used in the Microbial Enhanced Oil Recovery (MEOR), finally, the influence of the purification stage was investigated in the rhamnolipid ability to increase oil production after the convencional recovery process. The results indicated that the optimal values of temperature, pH, carbon/nitrogen rate, glycerol concentration and time (variables selected through the statistical experimental design) are, respectively, 30.17°C, 7.37, 32.35, 9.36% (v/v) and 10.26 days. The biosurfactant produced also presented a excellent emulsification rate, approximately 67% for the n-hexane and 69% for the petroleum, and a capacity of reducing the water superficial tension from 72 to 35.26 mN/m in a c.m.c of 127 mg/L. Furthermore, the rhamnolipid also presented a good stability to wide ranges of pH and salinity. Such characteristics configured the rhamnolipid as a good candidate to the application in MEOR. The kinetic parameters, of four non-structural models, for the experimental data of four rhamnolipid production curves were optimized by the genetic algorithm method and the main result demonstrated that the Monod model is the best predicting the data, with values of µmáx equal to 0.06 h-1 , KS equal to 50.8 g/L, YX/S equal to 0.43 g/g and YP/X equal to 0.017 g/g. At last, with the tests of advanced recovery, it was demonstrated that the rhamnolipid can efficiently recover the oil, obtaining the best result for a biosurfactant concentration 100% above the c.m.c and petroleum with a API Gravity of 21.90, which was able to achieve a total recovery of 50.45±0.79%, of which 11.91±0.39% corresponds to the MEOR. Moreover, it was evidenced that the biodegradability of the rhamnolipid did not represent a desavantage and that bigger investments in purification processes for the biosurfactant would be dispensable, since the biosurfactant was able to maintain its ability of increasing the oil recovered factor, even after two months of production. Also, the non-purificated rhamnolipid presented higher recovery factors when compared with the purificated, for all three types of oils studied.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/27939
Appears in Collections:PPGEQ - Doutorado em Engenharia Química

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