78

5

Resultados e discussão

Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos ao longo da pesquisa,

referentes à caracterização da biomassa e do mineral utilizado, os estudos de

potencial zeta e adesão, assim como os analises de infravermelho. Finalmente, são

apresentados os resultados do processo de microflotação e cinética de flotação,

usando a cepa Rhodococcus erythropolis. Concomitantemente, serão realizadas as

discussões dos resultados obtidos com trabalhos encontrados na literatura.

5.1.

Preparação e caracterização da amostra de hematita

O mineral utilizado neste trabalho foi hematita e foram usadas quatro

frações granulométricas (obtidas do procedimento de redução do mineral), para os

ensaios experimentais. A Figura 22, apresenta uma imagem obtida através de

microscopia eletrônica de varredura (MEV) onde podem ser observadas as

partículas do mineral hematita com um diâmetro em torno de 40 µm.

Figura 22. Imagem em MEV da amostra mineral hematita. a) Frações

granulométricas de (53 - 38 μm), b) Partículas com diâmetro em torno de 40

μm.

79

Os resultados da caracterização mineralógica (difração de raios X) e

composição mineralógica (fluorescência de raios X) da amostra mineral utilizada

neste trabalho podem ser vistos na Tabela 18 e Tabela 19, respectivamente.

Tabela 18. Caracterização mineralógica da amostra de mineral hematita via

DRX (Difração de Raios X).

Fase Percentagem

(38 - 20 µm) <20 µm

Hematita 93.1 94.2

Magnetita 5.6 5.3

Quartzo 1.3 0.5

Total 100.0 100.0

Da Tabela 18, pode ser observado que a amostra de mineral hematita não é

altamente pura, tendo um valor de 93.1% e 94.2%, devido à presença de traços de

magnetita e quartzo em menor quantidade. Os resultados da análise de

composição mineralógica da amostra mineral via fluorescência de raios X pode

ser visto na Tabela 19, mostrando os principais componentes presentes na amostra

de mineral hematita. Foram encontrados valores médios de 96.5500% e 96,6500

de Fe2O3, para as amostras de hematita com granulometria de (38 - 20 µm) e <20

µm, respectivamente.

Tabela 19. Composição mineralógica da amostra mineral via espectrômetro

por fluorescência de raios X.

Componente

Percentagem

(38 - 20 µm) Desvio

+/- <20 µm

Desvio

+/-

Al2O3 0.0950 0.0250 0.2000 0.0000

SiO2 0.7700 0.6200 0.6050 0.1050

P2O5 0.0350 0.0050 0.1100 0.0100

SO3 0.0700 0.0200 0.0400 0.0100

80

CaO 0.0150 0.0150 0.0100 0.0100

TiO2 0.9350 0.0250 0.9050 0.0350

V2O5 0.1000 0.0100 0.1150 0.0250

Cr2O3 0.2215 0.0015 0.2050 0.0050

MnO - - 0.0550 0.0050

Fe2O3 96.5500 0.7500 96.6500 0.1500

CuO 0.0700 0.0500 0.0400 0.0100

MgO 0.0650 0.0150 0.0350 0.0350

Na Figura 23 é mostrado uma imagem de microscopia eletrônica de

varredura (MEV) e o espectro de energia dispersiva (EDS) da superfície de uma

partícula de hematita com diâmetro em torno de 40 μm.

Figura 23. MEV e EDS da partícula de mineral hematita. a) Imagem em

MEV, b) Espectro de EDS.

As análises semi-qualitativas dos elementos presentes no espectro de EDS

realizado para uma partícula de mineral hematita, são mostradas na Tabela 20,

onde pode ser visto que o ferro corresponde 94.056% do peso, enquanto o

oxigênio corresponde 5,381% do peso. Estes valores são resultados semi-

qualitativos de elementos químicos, devido que são gerados a partir da superfície

de uma partícula mineral e não de uma pastilha compacta e homogênea.

81

Tabela 20. Resultados da analise do espectro de EDS para a área da

superfície da partícula de mineral hematita analisada.

ELEMENTO % PESO % ATÔMICA

Oxigênio 5.381 16.476

Alumínio 0.563 1.022

Ferro 94.056 82.501

Total 100 100

5.2.

Caracterização da bactéria Rhodococcus erythropolis

Depois de ter realizado todo o processo de crescimento da bactéria,

lavagem, centrifugação (Figura 24) e inativação, obteve-se um concentrado

celular final (Figura 25). Alíquotas desse concentrado foram tomadas para poder

realizar os diferentes ensaios do presente trabalho.

Figura 24. Concentrado celular centrifugado da bactéria Rhodococcus

erythropolis. a) Meio de cultura YMA, b) Meio de cultura TSB.

82

Figura 25. Concentrado celular inativado (morto) da bactéria Rhodococcus

erythropolis. a) Meio de cultura YMA, b) Meio de cultura TSB.

Comparando os concentrados inativados da imagem (Figura 25), notou-se

uma pequena diferença na coloração, o concentrado com meio de cultura YMA

tem cor rosa mais escuro, enquanto o concentrado com meio de cultura TSB tem

cor bege.

A coleta das bactérias foi feita após 75 horas de crescimento quase no final

da etapa exponencial. A Figura 26 apresenta uma imagem obtida através de

microscopia eletrônica de varredura (MEV) onde pode ser observada que as

células Rhodococcus erythropolis tem a forma de bastonete, que possui um

diâmetro em torno de (0,4 - 0,5) μm com um comprimento de (0,7 - 2,8) μm. Este

resultado concorda com o trabalho de Yang et al. (2013), onde as células

apresentam-se em forma de bastonete com tamanhos de 0,5 µm x (2 – 4) µm.

83

Figura 26. Imagem em MEV de células da bactéria Rhodococcus erythropolis.

Segundo vários autores (Santhiya et al., 2002; Vilinska et al., 2008;

Padukone et al., 2011; Merma et al., 2013) se as bactérias forem adaptadas a

diferentes substratos, no caso algum mineral, poderia variar a taxa de produção de

produtos metabólicos, mudando assim os grupos funcionais presentes e em

conseqüência obter uma diferente resposta no processamento de minerais.

5.2.1.

Curva de crescimento e caracterização da parede celular da bactéria.

A familiaridade com a utilização industrial de microrganismos e / ou seus

produtos derivados, incluindo tanto o meio de cultura dos microrganismos e sua

manipulação nos processos industriais, são considerados um dos fatores

determinantes na aplicabilidade de microrganismos no processamento mineral em

nível industrial (Ross W. & Mauno M., 2006). No cultivo de microrganismos

deve ser considerado o tempo de adaptação das células assim como as diferentes

etapas de crescimento para se obter uma maior produção de biomassa e

conseqüentemente de bioreagente (Botero, 2007).

84

As Figura 27 e Figura 28 apresentam o comportamento da curva de

crescimento da bactéria Rhodococcus erythropolis e suas diferentes etapas.

Figura 27. Curva de crescimento da bactéria Rhodococcus erythropolis no

meio de cultura YMA.

Figura 28. Curva de crescimento da bactéria Rhodococcus erythropolis no

meio de cultura TSB.

85

Na Figura 27 e Figura 28 observou-se como a etapa de adaptação ou fase

“lag” foi quase imperceptível, conseqüentemente, a fase exponencial inicia-se

imediatamente. No meio de cultura YMA, se começou com uma concentração

inicial de 0.0085 g / l, e se pode ver que a bactéria Rhodococcus erythropolis

atinge a concentração máxima em torno às 70 horas de crescimento e inicia a fase

estacionária com uma concentração de 2.91 g / l. Enquanto para o meio de cultura

TSB, se começou com uma concentração inicial de 0.0144 g / l, observando-se

que a bactéria Rhodococcus erythropolis atinge a concentração máxima em torno

às 60 horas de crescimento e inicia a fase estacionaria com uma concentração de

4.30 g / l. Estes resultados indicam que a bactéria adaptou-se e cresceu

rapidamente nos meios de cultura, do qual o meio de cultura TSB teve maior

produção de concentrado com menor tempo de crescimento.

5.2.2.

Composição do concentrado bacteriano.

A parede celular das bactérias Gram positivas está composta por altas

concentrações de peptideoglicano e muitas outras macromoléculas, incluindo o

ácido teicurônico, ácido lipoteicóico, lipopolissacarídeos, lipoproteínas, enzimas e

ácidos micólicos (Van Der Wal et al., 1997). Existem diversos métodos para

estabelecer a composição da parede, alguns deles utilizam metodologias tais como

raios X, infravermelho e análise bioquímica (Botero, 2007).

A quantidade de proteínas e carboidratos pertencente à parede celular da

bactéria, determinada pelo método de biureto e o método da antrona,

respectivamente, são mostrados na Tabela 21.

Tabela 21. Composição do concentrado bacteriano.

Ensaio

Concentrado de Meio de Cultura

YMA

(10,66 mg / mL)

TSB

(18,02 mg / mL)

Carboidratos (mg/mL) 3,06 4,24

Proteínas (mg/mL) 6,48 13,23

86

Da Tabela 21, pode-se concluir que no meio de cultura TSB, a composição

do concentrado bacteriano é maior em quantidade de proteínas. Este fato foi

levado em conta na escolha do meio de cultura para o processo de flotação, já que

as bactérias que apresentam uma maior quantidade de proteínas na sua parede

celular contribuem uma característica hidrofóbica, enquanto os polissacarídeos

presentes na superfície da bactéria fornecem uma característica hidrofílica

(Sharma et al., 2001; Padukone S. U. & Natarajan K. A., 2011).

5.2.3.

Análises de infravermelho da bactéria Rhodococcus erythropolis

Os compostos presentes na parede celular estão associados com os grupos

funcionais que interagem com as superfícies minerais. Os resultados da

composição foram comparados com as análises de infravermelho por

transformada de Fourier. De acordo com a literatura (Garip et al., 2009), o

espectro de infravermelho da bactéria exibe os picos dos compostos atribuídos aos

grupos funcionais dos compostos presentes na parede celular.

A Figura 29 apresenta o espectrograma de infravermelho da parede da

bactéria Rhodococcus erythropolis e os comprimentos de onda mais importantes.

Os resultados do espectrograma são comparados com as análises da literatura.

Assim, do espectrograma, segundo (Schmitt et al., 1998; Sharma, 2001; Garip et

al., 2009; Yang et al., 2013), mostra-se que picos de 3291,88 cm-1

correlacionados

com grupos de vibração de estiramento NH e OH; picos de 2924,04 cm-1

correspondentes a grupos de estiramento assimétrico CH2; picos de 1652,35 cm-1

para grupos de estiramento C=O de aminas I na proteína; picos de 1538,36 cm-1

podem ser atribuídos às vibrações de dobramento NH de amida II na proteína;

picos de 1452,43 cm-1

para grupos de dobramento CH2 de lipídeos; picos de

1393,51 cm-1

correspondentes a grupos de vibrações de dobramento de CH2 e

CH3; picos de 1237,49 cm-1

para grupos de estiramento assimétrico PO2-, picos de

1067,02 cm-1

são atribuídos para grupos de estiramento simétrico PO2- e picos de

698,20 podem ser atribuídos para dobramentos C=O e dobramentos COO-

dos

grupos carboxílicos.

87

Figura 29. Espectrograma de Infravermelho da bactéria Rhodococcus

erythropolis e principais bandas de absorbância.

5.2.4.

Medidas de potencial zeta da bactéria Rhodococcus erythropolis

Com o motivo de avaliar a possível variação nas propriedades

eletrocinéticas da bactéria Rhodococcus erythropolis, foram realizadas medidas de

potencial zeta, feitas para suspensão de bactérias ativas e bactérias inativas.

As Figura 30 e Figura 31, apresentam os resultados das curvas de potencial

zeta em função do pH e da força iônica da solução com suspensão de bactérias

mortas e bactérias vivas, respectivamente. A faixa de pH estudado foi a partir de 2

até 8. O cloreto de potássio foi escolhido como eletrólito de suporte. O efeito da

variação do pH oferecida pelos valores do potencial sugere que os íons H+ e OH

-

são os determinadores de potencial neste sistema (De Mesquita, 2000) (Hunter,

1981). As células são carregadas negativamente para a faixa de pH acima do

ponto isoelétrico, com uma diminuição da magnitude potencial quando a

concentração de eletrólitos foi elevado de 10-4

M e 10-2

M. A diminuição do perfil

potencial zeta está associada com o efeito de compressão da dupla camada

88

elétrica, e pela acumulação de contra-íons, causada pelo aumento da força iónica

do meio (Hunter, 1981; Lyklema, 1983).

Figura 30. Curvas de potencial zeta para as células Rhodococcus erythropolis

mortas, em função do pH.

A Figura 30, apresentou o resultado das curvas de potencial zeta da bactéria

morta em função do pH, como observou-se o PIE da bactéria fica em torno de pH

igual 2,2. Valor relativamente próximo com os valores encontrados em outros

trabalhos com bactérias do mesmo gênero Rhodococcus, como por exemplo,

segundo (MERMA, 2012) para a bactéria Rhodococcus opacus encontrou um PIE

em torno de 2,8 e em outros trabalhos (De Mesquita et al ., 2003; Botero et al.,

2008) que encontraram um PIE em torno de 3,2. A diferença observada pode ser

relacionada a vários fatores, entre eles são, as condições de cultivo, além da

origem da cepa. Os valores do potencial zeta demonstraram uma relativa

estabilidade das células em suspensão em um eletrólito de suporte 10-3

KCl para

valores próximos de -21 mV na faixa ácida fraca de pH 5, enquanto nos valores

correspondentes a pH<5, pelo fato de ficar próximo do PIE, a estabilidade das

células em suspensão é reduzida e logo após 2 minutos de repouso as células

começam a “aglomerar” e sedimentar.

89

Figura 31. Curvas de potencial zeta para as células Rhodococcus erythropolis

vivas, em função do pH.

Nas curvas de potencial zeta para a suspensão de bactéria viva (Figura 31),

encontraram-se valores negativos de potencial zeta na faixa de pH estudado,

sendo determinada assim uma carga negativa na superfície das células da bactéria

em solução aquosa. Como valor agregado deste trabalho, nós supomos que estes

valores negativos não são devido às condições de cultivo nem da origem da cepa,

já que é a mesma cepa e foram cultivadas nas mesmas condições; mas esta

mudança provavelmente seja devido a um aumento da motilidade celular, fazendo

com que predominem os grupos aniônicos, em detrimento dos catiônicos.

A presença de grupos aniônicos e catiônicos conferem à parede bacteriana

propriedades anfóteras, ou seja, dependendo do pH a densidade de cargas pode ser

predominantemente positiva ou negativa. Vários estudos têm sido realizados com

o propósito de determinar a concentração de grupos positivos e negativos na

parede celular. Todos eles apontam para uma predominância de grupos aniônicos

sobre os catiônicos, onde a afinidade química, tanto de prótons como de íons

90

hidróxido, por grupos básicos e ácidos fracos são a força motriz para formação de

carga na parede celular bacteriana (De Mesquita, 2000).

5.3.

Comportamento do mineral hematita antes e após interação com a bactéria

Rhodococcus erythropolis

5.3.1.

Estudos de potencial zeta

As Figura 32 e Figura 33, apresentam os resultados das curvas de potencial

zeta em função do pH para a hematita, antes e após interação com a bactéria

Rhodococcus erythropolis.

Figura 32. Curvas de potencial zeta para o mineral hematita em função do

pH.

As curvas da hematita antes da interação (Figura 32) indicaram que o PIE

foi de pH 5,3. Este resultado esta de acordo com os estudos feitos por Deo et al.,

(1997) e Yang et al., (2013), que obtiveram valores de PIE na faixa de pH 5,0 –

6,0.

91

Os resultados do perfil da curva de potencial zeta de interação hematita -

Rhodococcus erythropolis, o perfil da curva de potencial zeta da hematita e o

perfil da curva de potencial zeta da bactéria; feitas em uma solução de eletrólito

de suporte 10-3

KCl, pode ser visto na Figura 33. O comportamento eletrocinético

do perfil da curva de potencial zeta de interação hematita - Rhodococcus

erythropolis mudou e adotou um comportamento muito próximo ao perfil da

curva de potencial zeta da bactéria; este resultado pode ser devido às interações de

células na superfície da hematita (Raichur et al., 1996; Subramanian et al., 2003;

Vilinska et al., 2008).

Figura 33. Curvas de potencial zeta para o mineral hematita antes e

após a interação com a bactéria Rhodococcus erythropolis em função do pH

(eletrólito de suporte: NaCl 10-3

M).

Segundo (Farahat et al., 2008; Hirajima et al., 2012) em meio ácido a

superfície da bactéria e do mineral tem carga contrária, dando lugar a uma

possível interação eletrostática entre ambas as superfícies, formando-se assim um

biofilme na superfície do mineral e deste modo o valor do potencial zeta da

superfície mineral fica próximo do valor do potencial zeta da bactéria.

92

Como falado anteriormente, a bactéria Rhodococcus erythropolis apresentou

um PIE em torno de 2,2. Assim, espera-se uma menor atração eletrostática entre a

bactéria e a superfície negativa do mineral nas faixas de pH próximas ao PIE,

dando lugar a outro tipo de interações, além da interação entre as próprias células

da bactéria (hidrofóbica), que com uma carga praticamente nula tendem a

coagular, formando flocos entre si, ao em vez de se aderirem à superfície mineral.

Os resultados dos estudos de potencial zeta podem demonstrar claramente

que existe uma mudança nos valores de potencial zeta de uma amostra mineral

após interação com células da bactéria, obtendo-se um ponto isoelétrico em torno

de pH 2,1; esta mudança é causada pela adesão/adsorção de células da bactéria

e/ou produtos metabólicos. Os ensaios de potencial zeta ajudam também a

elucidar os mecanismos envolvidos na interação das células bacterianas na

superfície mineral. Segundo vários autores (Dubel et al., 1992; Raichur et al.,

1996; Santhiya., 2001) existem janelas na faixa de pH que seriam zona potencial

para atração eletrostática entre as células bacterianas e uma superfície mineral

negativa, essa faixa corresponde a valores de pH menores que o valor do PIE da

bactéria. No caso da bactéria Rhodococcus erythropolis essa faixa corresponderia

a valores de pH menores que 2,2. Enquanto na faixa de pH acima do PIE da

bactéria, além de existir interações eletrostáticas também podem existir interações

especificas.

5.3.2.

Análises de infravermelho

As Figura 34 e Figura 35, apresentam os espectrogramas de infravermelho

para do mineral hematita, antes e após interação com a bactéria Rhodococcus

erythropolis, respectivamente.

93

Figura 34. Espectrograma de infravermelho do mineral hematita e principais

bandas de absorbância.

A Figura 34 mostrou que, antes da interação, a superfície de hematita têm

contido grupos hidroxila (OH) e vibrações de estiramento (Fe-O). Os picos 544,68

cm-1

e 466.12 cm-1

indicam que a hematita tem absorção intensa pelas vibrações

de estiramento, enquanto os picos 3433,33 cm-1

; 2360,13 cm-1

e 1626,96 cm-1

indicam interferência com as vibrações da água, proveniente da hidratação do

KBr: modo de estiramento em aproximadamente 3.400 cm-1

e modo de

dobramento em aproximadamente 1.630 cm-1

; este fato é comparado com a tese

de Henriques, (2012), onde a hematita tem absorção intensa em números de onda

abaixo de 750 cm-1

(vibrações de estiramento Fe-O).

De acordo com Deo & Natarajan, (1997), devido às interações micróbio-

minerais, a química de superfície das células bacterianas e também dos minerais

que interagem podem ser significativamente alteradas; onde a hematita pode

apresentar os seguintes grupos: 3400 cm-1

estiramento OH e grupos C-OH-e

CH2OH devido a polissacarídeos, 300-600 cm-1

vibrações de balanço CH2, 900

cm-1

grupos CH2OH, 700 cm-1

deformação do grupo carboxílico COO-.

94

A diferença de espectros de células adsorvidas sobre a hematita é dado na

Figura 35, onde fazendo uma comparação dos espectrogramas, antes e após

interação com o Rhodococcus erythropolis, pode-se observar como o mineral

exibe modificações no espectro de absorbância, mostrando grupos funcionais que

são característicos da bactéria que foi mostrado na Figura 29, assim após a

interação, observam-se que os grupos de vibração de estiramento NH e OH

mudaram de 3291,88 cm-1

para 3297,95 cm-1

; os grupos de estiramento

assimétrico CH2 mudaram de 2924,04 cm-1

para 2926,15 cm-1

; grupos de

estiramento C=O de aminas I na proteína mudaram de 1652,35 cm-1

para 1646,76

cm-1

; os grupos atribuídos às vibrações de dobramento NH de amida II na proteína

mudaram de 1538,36 cm-1

para 1535,17 cm-1

; os grupos correspondentes às

vibrações de dobramento de CH2 e CH3 mudaram de 1393,51 cm-1

para 1397,59

cm-1

e os grupos atribuídos ao estiramento simétrico PO2- mudou de 1067,02 cm

-1

para 1072.84 cm-1

. Todos estes grupos estão associados com os compostos

presentes na parede celular da bactéria Rhodococcus erythropolis e estariam

interagindo com a superfície da hematita.

Figura 35. Espectrograma de infravermelho do mineral hematita (antes e

após da interação com a bactéria Rhodococcus erythropolis).

95

No trabalho de Yang et al., (2007), a análise de infravermelho mostrou que

existem picos de adsorção de características óbvias da M. phlei na superfície

hematita, e os seus grupos funcionais de adsorção são substituído por grupos de

compostos aromáticos, grupos -(CH2)n, grupos –CH2(-CH3), grupos carbonila,

grupos de hidrocarbonetos aromáticos, e grupos carboxílicos, entre os quais os

grupos carboxílicos contribuem para adsorção química na superfície da hematita,

e os outros cinco fornecem uma adsorção física sobre a superfície da hematita.

Yang et al., (2013) estudaram os espectros de análises infravermelho da

hematita após interação com a bactéria Rhodococcus erythropolis e demonstraram

que a adsorção de Rhodococcus erythropolis na superfície da hematita ocorre,

principalmente, através de adsorção química, incluindo interações químicas do

grupo carboxílico e grupo fosfato com a superfície de hematita, e associação

hidrofóbica entre as partículas hidrofóbicas de hematita.

5.4.

Estudos de adsorção

Os experimentos de adesão bacteriana estabelecem a afinidade que o

microrganismo tem pelas superfícies dos minerais. De acordo com Sharma & Rao,

(2002), a afinidade pode-se apresentar pela interação entre os grupos funcionais

da parede celular da bactéria e a superfície mineral. O pH da solução, tempo de

contato e concentração do microrganismo são fatores importantes que foram

avaliados para determinar a capacidade de adsorção da Rhodococcus erythropolis

sobre a superfície do mineral hematita. Todos os testes são expressos mg de

bacteria.g-1

hematita, como no trabalho de De Mesquita, (2000).

5.4.1.

Estudos de efeito do pH

Na Figura 36, podemos ver os resultados da adsorção da bactéria sobre a

superfície mineral em função do pH, usando diferentes concentrações da biomassa

para um tempo de condicionamento de 5 min. Para todos os casos, a maior adesão

foi ao redor do pH 2, muito próximo ao ponto isoelétrico da bactéria. A

quantidade máxima de bactéria seca aderida na superfície mineral foi de ao redor

96

de 8.7 mg.g-1

para uma solução de 200 mg / L. Este valor é equivalente ao valor

encontrado no trabalho feito por De Mesquita et al., (2003), onde para o sistema

hematita - Rhodococcus opacus na concentração de 0,75 g.L-1

, a quantidade

máxima de biomassa aderida na amostra mineral de hematita foi de 0,60 g.L-1

.

Figura 36. Influência do pH na adsorção da bactéria Rhodococcus

erythropolis sobre a superfície do mineral hematita.

Esclarece-se que a máxima adesão encontrado ao redor do pH 2, não é um

indicativo fixo de uma verdadeira adsorção, já que as leituras de absorbância

podem variar no sentido de ser mais altas conforme o valor de pH da solução

(amostra e biomassa) está mais próximo ao valor do PIE da bactéria. Este fato das

leituras altas de absorbância é devido o fenômeno de heterocoagulação da

biomassa que ocorre na solução quando atinge ao PIE da bactéria, onde a

neutralidade das cargas da bactéria faz que a biomassa coagule e seja sedimentada

junto com as partículas de mineral.

97

5.4.2.

Efeito do tempo e da concentração do Rhodococcus erythropolis

Os resultados na Figura 37, avalia o efeito do tempo de condicionamento na

adesão da biomassa sobre as superfícies das partículas de mineral. Estes testes

revelaram uma adesão rápida, atingindo uma concentração máxima de biomassa

nos primeiros 10 minutos, onde, a curva permanece quase constante. Este fato é

comparado com o trabalho feito por Botero, (2007) na adsorção das células

Rhodococcus opacus sobre a superfície da magnesita, calcita e barita; onde todos

os experimentos de adsorção indicavam que os três minerais chegavam até

saturação após 20 min.

Para uma concentração de 200 mg / L, a adesão de células na superfície do

mineral, após do período de 10 minutos de tempo de condicionamento, está ao

redor de 9.5 mg de bactéria seca por grama de mineral, e alcança os 10 mg no

período de 20 minutos.

Figura 37. Efeito do tempo na adsorção da bactéria Rhodococcus erythropolis

sobre a superfície do mineral hematita, pH = 2.

98

5.4.3.

Imagens através do microscópio eletrônico de varredura

O estudo de adsorção revelou que a capacidade de adsorção das células

Rhodococcus erythropolis sobre a superfície de mineral hematita foi maior ao

redor do pH 2, próximo do ponto isoelétrico da bactéria. Esse foi o melhor

entendimento para os ensaios de interação.

As imagens do mineral através do MEV (Figura 38, Figura 39 e Figura 40),

foram realizadas para três tempos de condicionamento, nas condições de 200 mg /

L de concentração de biomassa e a solução foi ajustada ao valor do ponto

isoelétrico da bactéria, de pH 2,2.

Figura 38. Imagem de MEV de células da bactéria Rhodococcus erythropolis

na superfície da hematita, tempo de condicionamento: 2 min.

a) b)

99

Figura 39. Imagem de MEV de células da bactéria Rhodococcus erythropolis

na superfície da hematita, tempo de condicionamento: 10 min.

Figura 40. Imagem de MEV de células da bactéria Rhodococcus erythropolis

na superfície da hematita, tempo de condicionamento: 20 min.

Uma análise das imagens mostra, claramente, a presença das células

Rhodococcus erythropolis aderidas às superfícies minerais. A adesão das células

sobre as partículas aumenta com o tempo de condicionamento, como foi mostrado

a)

b)

b)

a)

100

na Figura 38 (com tempo de condicionamento, 2 min), onde a quantidade de

células aderidas é menor em comparação às Figura 39 (com tempo de

condicionamento, 10 min) e Figura 40 (com tempo de condicionamento, 20 min).

A partir desses resultados pode-se dizer que as células da bactéria apresentaram

uma adsorção preferencial na superfície da hematita. Esses resultados sugerem

que diferentes mecanismos estariam envolvidos no processo de adesão, apesar

deste mineral apresentar caráter hidrofílico.

5.4.4.

Comportamento da bactéria Rhodococcus erythropolis como espumante

O pH da suspensão afeta o desempenho da flotação mineral, ele pode afetar

as propriedades da superfície do mineral tanto como da superfície da parede

celular da bactéria (Merma, 2012), sendo assim, nesta etapa de estudo foram

realizados ensaios de microflotação em função do pH, usando uma concentração

celular de 200 mg / L, o valor do pH foi ajustado usando alíquotas de HCl e

NaOH. A finalidade destes ensaios foi determinar o comportamento da bactéria

Rhodococcus erythropolis na formação de espuma em função do pH, durante o

processo de flotação.

A Figura 41 apresenta imagens da espuma formada depois de 2 minutos de

flotação em função do pH da solução. Podemos ver que na faixa de pH 2 (Figura

41 – a) e pH 5 (Figura 41 – b), temos maior formação de espuma que na faixa de

pH 9 (Figura 41 – c) e pH 9 (Figura 41 – d). Este resultado concorda com o estudo

feito para a bactéria Rhodococcus opacus (Merma, 2012), onde, a melhor

formação de espuma foi conseguida entre as faixa de pH 3 e pH 7, sendo a maior

próximo do PIE da bactéria.

101

Figura 41. Espuma formada pela biomassa a diferentes valores de pH,

concentração: 200 mg / L. a) pH 2, b) pH 5, c) pH 8 e c) pH 11.

Os ensaios de tensão superficial mostraram que a melhor formação de

espuma vem acompanhada com uma menor tensão superficial da solução, fato que

pode ser observado na Figura 42, na qual os valores de tensão superficial da

biomassa em função do pH. A curva mostra claramente, que os menores valores

de tensão superficial corresponderam à faixa de pH com maior densidade de

espuma formada, apresentando valores próximos de 66.3 mN/m, 66.4 mN/m e

68.4 mN/m para valores de pH de 2, 3 e 6 respectivamente. Já na faixa de pH

entre 9 e 11, observaram-se valores em torno de 68,5 mN/m e 69,2 mN/m. Assim,

supõe-se que a menores valores de pH existe uma maior adsorção do bioreagente

na interface liquido/ar e portanto uma maior formação de espuma.

102

Figura 42. Tensão superficial da biomassa de Rhodococcus erythropolis em

função do pH (concentração celular: 200 mg / L).

5.5.

Microflotação usando a bactéria Rhodococcus erythropolis como bioreagente

5.5.1.

Ensaios exploratórios de microflotação do mineral hematita

Para os ensaios de microflotação feitos num tubo de Hallimond modificado,

foi uma vazão constante de aproximadamente de 23 mL.min-1

.

Realizaram-se ensaios de flotabilidade do mineral hematita para três

tamanhos de partículas: (150 – 106 μm), (106 – 75 μm) e (53 – 38 μm,) usando

um grama de amostra mineral em 160 mL de solução. Todos os ensaios foram

realizados a diferentes valores de pH utilizando água deionizada, a 23 ºC e sob

agitação, para manter em suspensão as partículas minerais. Os resultados destes

ensaios podem ser vistos na Figura 43.

103

Figura 43. Flotabilidade do mineral hematita.

Da Figura 43, viu-se que a maior recuperação de mineral hematita foi

atingida no valor de pH 6 para as três faixas granulométricas, onde também

observou-se que para a faixa granulométrica (53 – 38 μm), tem-se maior

recuperação em torno de 9,72 %.

Para fazer uma comparação de flotabilidade do mineral hematita, fez-se uma

solução de polpa com 50 mg / L de bactéria para as três diferentes faixas

granulométricas com diferentes valores de pH, conforme é mostrado na Figura 44.

A maior recuperação de mineral hematita, também foi obtida no valor de pH 6

para as três faixas granulométricas usadas.

104

Figura 44. Flotabilidade do mineral hematita com uma concentração celular

de 50 mg / L.

A máxima recuperação de hematita no valor de pH 6, para a faixa

granulométrica (53 – 38 μm) foi de 39 %, a qual indica um aumento em

comparação à flotabilidade da hematita sem concentração bacteriana de 9,72 %. A

partir deste resultado pode-se dizer que a bactéria Rhodococcus erythropolis

influiu na flotação do mineral como coletor e espumante.

5.5.2.

Influência do pH na flotabilidade da hematita para diferentes concentrações.

Sabe-se que a variável mais importante no processo de flotação é o pH da

suspensão, pois dependendo do pH é que a superfície do mineral e da bactéria são

ativadas, através de diversas reações de dissolução, hidrólise entre outras. Nesta

etapa do trabalho foram realizados ensaios de flotabilidade na faixa de pH entre 3

e 11, usando três faixas granulométricas, com tamanho de partículas (150 – 106

μm), (106 – 75 μm) e (53 – 38 μm), em água deionizada, com temperatura de 23

°C e um tempo de flotação igual a 2 minutos.

105

Na Figura 45, podemos ver os resultados da flotabilidade de hematita com

tamanho de partículas (150 – 106 μm) em função do pH, usando diferentes

concentrações da biomassa. Para todos os casos, foi observado um incremento da

flotabilidade com valores de pH 5 e pH 6, no entanto, a maior flotabilidade

apresentou-se no pH 6. Com valores acima de pH 7 a flotabilidade do mineral foi

reduzida rapidamente. Este resultado concorda com (Yang et al., 2007), na

flotação de hematita usando a bactéria Mycobacterium plhei, onde, a faixa ideal

de pH para flotação do mineral foi entre 5 e 7. Os autores afirmaram que, nessa

faixa de pH a bactéria tem uma carga superficial nula e dessa forma incrementa a

sua hidrofobicidade, o que favorece a coagulação entre o mineral e as células da

bactéria, melhorando assim a flotação. Entretanto, na faixa alcalina de pH as

superfícies do mineral e da bactéria são negativas, causando assim uma repulsão

eletrostática entre elas durante a flotação.

A maior concentração alcançada nesta faixa granulométrica (150 – 106 μm)

foi ao redor de 34%, utilizando uma concentração de polpa com 200 mg / L de

concentrado bacteriano.

Figura 45. Flotabilidade da hematita em função do pH; tamanhos de

partícula (150 – 106 μm), tempo de flotação: 2 minutos.

106

Segundo Yang et al., (2013). A recuperação de hematita usando a bactéria

Rhodococcus erythropolis aumentou rapidamente com o aumento do pH da polpa

de 3 a 6, e depois diminuiu rapidamente acima de pH 6, onde a recuperação foi

ótima ao redor do pH 6.

Na Figura 46, podem-se observar os resultados da flotabilidade da hematita

com tamanho de partículas (106 – 75 μm) em função do pH usando diferentes

concentrações da bactéria Rhodococcus erythropolis. Do mesmo modo que na

faixa (150 – 106 μm), foi observada uma maior flotabilidade num valor de pH

igual a 6, alcançando uma recuperação máxima em torno de 43% utilizando 200

mg / L de concentrado bacteriano.

Figura 46. Flotabilidade da hematita em função do pH; tamanhos de

partícula (106 – 75 μm), tempo de flotação: 2 minutos.

Finalmente na Figura 47, encontram-se os resultados da flotabilidade da

hematita em função do pH, para o tamanho de partículas (53 – 38 μm), usando

diferentes concentrações da bactéria Rhodococcus erythropolis. Novamente a

maior flotabilidade foi observada num valor de pH igual a 6, alcançando uma

107

recuperação máxima em torno de 56%, com uma concentração de 200 mg / L de

concentrado bacteriano.

Figura 47. Flotabilidade da hematita em função do pH; tamanhos de

partícula (53 – 38 μm), tempo de flotação: 2 minutos.

Dos ensaios feitos para as três faixas granulométricas, que foram mostrados

nas Figura 45, Figura 46 e Figura 47, pode-se destacar uma crescente flotabilidade

do mineral hematita, com o aumento da concentração celular e a diminuição do

tamanho de partícula. A maior flotabilidade alcançada para a faixa de menor

tamanho é devido que as partículas finas são mais facilmente aderidas à biomassa

bacteriana e tendem ser carregadas rapidamente pelas microbolhas de gás.

5.5.3.

Influência da concentração da bactéria

A concentração de biomassa foi variada, a fim de encontrar uma

concentração óptima de células de Rhodococcus erythropolis para o processo de

flotação e estudos suplementares. Verificou-se que a maior flotabilidade da

108

hematita de 56% (Figura 48), correspondeu a um valor de concentração de 200

mg / L, em concordância com os resultados anteriores de adsorção.

Figura 48. Flotabilidade da hematita em função da concentração celular: pH

6 e tamanhos de partícula: (150 – 106 μm), (106 – 75 μm) e (53 – 38 μm),

tempo de flotação: 2 minutos.

A concentração limite da biomassa foi observada em outros trabalhos. Para

(Yang et al., 2007), na bioflotação de hematita usando a Mycobacterium plhei,

esse valor foi em torno de 16 mg.L-1

; para (Botero et al., 2008), na flotação de

magnesita, esse valor foi ao redor de 100 mg / L e para (Yang et al., 2013), o

valor de concentração de bactéria foi de 75 mg.L-1

.

Segundo (Yang et al., 2007; Botero et al., 2008; Merma et al., 2013), a

flotabilidade sofre uma queda acima do valor limite de concentração, devido ao

tamanho dos flocos formados entre o mineral e as células da bactéria, já que com

maiores concentrações de bactéria os flocos formados podem ficar muito grandes,

e dessa forma não conseguirem ser carregados até a superfície.

109

5.5.4.

Influência do tempo de flotação

Assim como é importante determinar a concentração bacteriana no processo

de flotação, é interessante também avaliar o tempo de flotação, usando as

melhores condições previamente estabelecidas. Os ensaios foram realizados em

pH 6 e com uma concentração celular de 200 mg / L, conforme é mostrado na

Figura 49.

Figura 49. Flotabilidade da hematita em função do tempo: pH 6 e tamanhos

de partícula: (150 – 106 μm), (106 – 75 μm) e (53 – 38 μm).

Da Figura 49, para a faixa de menor tamanho (53 – 38 μm), observou-se que

a bactéria consegue incrementar a flotabilidade da hematita até um valor em torno

de 58% nos três primeiros minutos de flotação e próximo de 85% após 10

minutos. Considerando a maior flotabilidade alcançada pela hematita na faixa de

menor tamanho durante ensaios de flotação, podemos afirmar que as células da

bactéria Rhodococcus erythropolis tornaram a superfície delas mais hidrofóbica e

foram mais fáceis de coletar devido a seu menor peso.

110

5.5.5.

Cinética de flotação mineral

Nesta etapa do trabalho foram realizados experimentos, com a finalidade de

determinar o efeito do tamanho de partículas minerais na taxa da microflotação

mineral usando a bactéria Rhodococcus erythropolis como bioreagente. Para os

ensaios de cinética de flotação foram adotadas as melhores condições obtidas nos

testes, ou seja, pH da solução igual a 6 e concentração celular igual a 200 mg / L.

A cinética de bioflotação pode ser representada pelos modelos clássicos de

primeira ordem, segunda ordem e não integral (Tabela 22). A determinação das

constantes cinéticas da bioflotação mineral com diferentes tamanhos de partículas

foi realizada através da linearização dos modelos (Merma, 2012).

Tabela 22. Modelos cinéticos empregados para os resultados de flotação.

Ordem Equação Autor

n = 1 (

) ( )

Mehrabani et al., 2010

n = 2

( ) Hernáinz et al., 2005

Não

integral [

( )] Hernáinz et al., 2005

Onde:

m0: Massa inicial, mf: Massa final, K: Constante de taxa do modelo; t:

tempo; R: Percentagem de recuperação do mineral e R∞: Percentagem de

recuperação do mineral no tempo infinito.

Os resultados de ajuste e constantes de taxa (K1) da flotabilidade da

hematita para diferentes tamanhos de partícula empregando o modelo de primeira

ordem podem ser vistos na Figura 50 e na Tabela 23, respectivamente. As

111

constantes de taxa de flotabilidade aumentam conforme o tamanho de particula é

menor.

Figura 50. Modelo de primeira ordem - flotabilidade da hematita: pH 6 e

concentração celular de 200 mg / L.

Tabela 23. Constante cinética da microflotação do mineral, usando o modelo

de primeira ordem.

Tamanho de partícula n = 1

K1 (min-1

) R

2

(150 – 106 µm) 0.10485 0.95909

(106 – 75 µm) 0.14444 0.94570

(53 – 38 µm) 0.20862 0.94075

Empregando o ajuste do modelo de segunda ordem (Figura 51 e Figura 52)

na flotabilidade da hematita, teve-se valore de R2 mais próximos de 1, ou seja com

melhor ajuste que os modelos de primeira ordem (Figura 50) e modelo de ordem

não integral (Figura 53). Enquanto as constantes de taxa (K) de flotabilidade,

usando os modelos de primeira ordem (Tabela 23), segunda ordem (Tabela 24) e

ordem não integral (Tabela 25); aumentam com a redução do tamanho de

112

partícula, o que é evidenciado que as partículas mais finas tendem a apresentar

uma cinética de flotação mais rápida.

Figura 51. Modelo de segunda ordem - flotabilidade da hematita: pH 6 e

concentração celular de 200 mg / L.

Figura 52. Cinética da flotabilidade da hematita, ajuste do modelo de

segunda ordem.

113

Tabela 24. Constante cinética da microflotação do mineral, usando o modelo

de segunda ordem.

Tamanho de partícula n = 2

K2 (g.min)-1

R

2

(150 – 106 µm) 0.16369 0.98078

(106 – 75 µm) 0.26385 0.99246

(53 – 38 µm) 0.51604 0.99648

Figura 53. Modelo de ordem não integral - flotabilidade da hematita: pH 6 e

concentração celular de 200 mg / L.

Tabela 25. Constante cinética da microflotação do mineral, usando o modelo

de ordem não integral.

Tamanho de partícula n = não integral

K (min-1

) R∞ R

2

(150 – 106 µm) 0.23121 0.6292 0.94696

(106 – 75 µm) 0.35096 0.7171 0.98902

(53 – 38 µm) 0.39822 0.8386 0.98176

114

O resumo de resultados dos três modelos empregados para a bioflotação de

hematita usando a bactéria Rhodococcus erythropolis como bioreagente, indicou

que o modelo de segunda ordem ajustou melhor os resultados experimentais. A

quantificação desses parâmetros cinéticos é de grande importância para a flotação

industrial, pois permite a determinação da velocidade do processo de adsorção da

partícula mineral à bolha de gás e como as variáveis influenciam em sua

eficiência.

Segundo (Hernáinz & Calero, 2001), os resultados obtidos na flotação do

mineral celestita e mineral calcita em uma célula mecânica usando dodecilsulfato

de sódio como agente coletor, indicaram que a cinética representativa do processo

correspondeu ao modelo de ordem não integral, tendo como resultados de

coeficiente de correlação R2 > 0,93 em quase todos os casos para tamanhos de

partículas compreendidas entre 74 µm – 137 µm.

No trabalho de cinética de flotación de minerio de oro pirítico de Yalcin &

Kelebek, (2011) e o trabalho de bioflotação do sistema Apatita - Quartzo usando

a bactéria Rhodococcus opacus de Merma, (2012), a cinética de flotação seguiu o

modelo de primeira ordem.