Desarrollo de procesos bifasicos de biodegradacion de compuestos organicos volatiles (covs)

Resumen

El presente estudio se llevó a cabo con el objetivo de resolver dos de las principales limitaciones que presentan los sistemas biológicos convencionales de tratamiento de gases que contienen compuestos orgánicos volátiles (COVs): (i) la limitada transferencia del COV desde la fase gaseosa hacia la fase acuosa, donde tiene lugar su biodegradación (especialmente en el caso de tratamiento de COVs hidrofóbicos) e (ii) la inestabilidad de los procesos de degradación biológicos, la cual es causada por problemas de toxicidad debidos a una operación del proceso a altas cargas o a aumentos repentinos de carga de COVs moderadamente solubles (por ejemplo, BTEX) y/o a la acumulación de metabolitos tóxicos producidos durante el proceso de biodegradación. En este contexto, los sistemas de dos fases (también conocidos como sistemas bifásicos) son capaces de superar estas limitaciones gracias a la adición de una fase no acuosa (NAP) con alta afinidad por el contaminante y sus metabolitos de degradación. Estrictamente, estos reactores contienen 3 fases (fase acuosa, NAP y fase gaseosa) o incluso 4 fases si se consideran los microorganismos, sin embargo estos sistemas reciben comúnmente el nombre de sistemas bifásicos. La presente tesis se centró en el desarrollo de sistemas biológicos de dos fases para el tratamiento de COVs evaluando los aspectos más significativos de esta prometedora tecnología: selección de la NAP, transferencia de masa, rendimiento y estabilidad de operación, configuraciones de reactor e influencia de la microbiología del proceso. Para ello, primeramente se llevó a cabo una selección de NAPs líquidas y sólidas (también denominadas polímeros) para la biodegradación de hexano (compuesto modelo elegido debido a su alta hidrofobicidad) en un reactor de tanque agitado (STR). Aceite de silicona de 20 y 200 cSt (SO20 y SO200, respectivamente) y Kraton G1657 fueron seleccionadas como las NAPs más adecuadas de acuerdo con el criterio clásico de selección de NAPs (alta afinidad del COV por la NAP). Sin embargo, a pesar de que las tres NAPs presentaron valores de afinidad por el hexano similares, experimentos de transferencia en condiciones abióticas mostraron que en presencia de SO20 y SO200 (NAPs líquidas) se obtuvieron mayores tasas de transferencia de hexano que en el caso de la adición de Kraton G1657 (NAP sólida), siendo ésta última similar a la del sistema desprovisto de NAP (control). Consecuentemente, mientras que en los experimentos de biodegradación de hexano realizados en presencia de SO200 se obtuvieron capacidades de eliminación (CEs) de hexano máximas 4 veces superiores a las obtenidas en ausencia de NAP, en presencia de Kraton G1657 las CEs de hexano se mantuvieron similares a las del control. Por otro lado, se realizó un estudio de degradación de una mezcla de COVs de diferentes hidrofobicidades: metil etil cetona (MEK), tolueno y hexano en un STR bifásico con 2 mezclas diferentes de NAPs sólidas: mezcla A (50% de Hytrel 8206 con alta afinidad por MEK y 50% de ruedas de goma recicladas (RRTs) con alta afinidad por el hexano y tolueno) y mezcla B (33.3% de Hytrel 8206 con afinidad por MEK, 33.3% de Engage 8842 con afinidad por el tolueno y 33.3% de Engage 8100 con afinidad por el hexano). Estas mezclas de polímeros fueron seleccionadas de acuerdo a su alta afinidad por los COVs. Las CEs de los tres compuestos fueron evaluadas en estado estacionario a una carga nominal de 88 ± 3 gm-3 h-1. Adicionalmente se evaluó la robustez del proceso mediante aumentos de carga repentinos de 2 y 3.6 veces la carga nominal. La adición de la mezcla de polímeros A provocó un empeoramiento del rendimiento del proceso. Este deterioro del proceso fue probablemente debido a la interacción entre alguno de los COVs con alguno de los componentes de las RRTs, la cual podría haber causado la liberación de algún compuesto de las RRTs tóxico para las células del medio de cultivo. Por otra parte, la adición de la mezcla de polímeros B no dio lugar a ninguna mejora en el rendimiento del proceso cuando éste operó bajo carga nominal constante, en comparación con el sistema operado en ausencia de NAPs. Sin embargo, las CEs de tolueno y MEK fueron superiores a las obtenidas durante la operación del sistema sin NAPs bajo incrementos de carga de 2 y 3,6 veces, respectivamente, en presencia de la mezcla de polímeros B. Por otra parte, se estudió la influencia de la presencia de NAPs en la hidrofobicidad de bacterias del género Pseudomonas a largo plazo. Para ello, se realizaron experimentos de degradación de hexano y tolueno por P. aeruginosa y P. putida, respectivamente, en presencia de SO200 y Heptametilnonano (HMN) bajo condiciones de operación en continuo y en batch. Mientras que la hidrofobicidad de P. aeruginosa en presencia de HMN aumentó a lo largo del proceso de degradación de hexano en continuo y en batch, la hidrofobicidad de P. putida solamente se vio ligeramente incrementada cuando el proceso de degradación de tolueno tuvo lugar en modo continuo. Sin embargo, la hidrofobidad de ninguna especie aumentó en presencia de SO200. El siguiente estudio fue desarrollado con el objetivo de aislar microorganismos adecuados para sistemas bifásicos, los cuales se corresponderían con microorganismos con bajas constantes de afinidad (Ks) por los COVs a degradar. Una menor Ks permitiría que los microorganismos trabajaran de manera más eficiente a bajas concentraciones de COVs, condiciones a las que comúnmente están expuestos los microorganismos en los sistemas de dos fases. El proceso de aislamiento de bacterias degradadoras de hexano se llevó a cabo a partir de fango activo en presencia y en ausencia de HMN (su presencia conlleva concentraciones más bajas de hexano en la fase acuosa como consecuencia de su alta afinidad por el hexano). Sin embargo, las bacterias aisladas en presencia y en ausencia de HMN exhibieron valores de Ks similares (0.26 - 0.42 mg hexano l-1). Para evaluar la influencia de las características de los microorganismos en la degradación de COVs en sistemas bifásicos, se llevó a cabo un estudio de degradación de hexano en presencia de SO200, mediante tres consorcios aislados de manera diferente que presentaron diferente grado de hidrofobicidad hacia SO200. Dentro de este estudio también se evaluó el efecto de la acumulación de metabolitos en la degradación de hexano. Incrementos de hasta 16 veces en la CE de hexano fueron obtenidos en el caso de los 2 consorcios totalmente hidrofóbicos en comparación con las CEs observadas en el control. En el caso del consorcio hidrofílico el incremento fue de 9 veces. Se observó también que un incremento en la concentración de metabolitos presentes en el caldo de cultivo produjo el deterioro del proceso de degradación de hexano, mientras que altas tasas de intercambio de medio fresco evitaron la acumulación de altas concentraciones de metabolitos y por tanto la inhibición del proceso de degradación de hexano. La influencia del porcentaje de NAP y la velocidad de agitación en la tasa de transferencia de COVs desde la fase gaseosa a la fase acuosa fueron evaluadas en un reactor STR bifásico con 20% de SO200. Adicionalmente se desarrolló un modelo mecanístico con el objetivo de determinar la fracción máxima de hexano transferida hacia la fase acuosa (ßs*) a diferentes porcentajes (v/v) de SO200 (0-30%) y velocidades de agitación (100-300 rpm). Dicho modelo, basado en balances de materia y ecuaciones de transferencia, predijo (con un error medio del 7%) un rendimiento máximo cuando el reactor operó con un 20 % de SO200 y a una velocidad de agitación de 200 rpm. Adicionalmente, este estudio fue ampliado a reactores airlift (ALRs) y biofiltros percoladores (BTFs) operados a diferentes caudales de gas (1-3 L min-1) en presencia y ausencia de SO200. Los modelos presentaron una bondad de ajuste de 0.98, 0.98 y 0.70 para el caso del STR, BTF y ALR de dos fases, respectivamente. Los sistemas bifásicos presentaron un mejor rendimiento en términos de transferencia que los sistemas de una sola fase, siendo el BTF el que exhibió mayores valores de ßs* (0.87-0.58). Finalmente se llevó a cabo un análisis de sensibilidad para el caso del BTF bifásico en base al modelo desarrollado, que permitió establecer las condiciones óptimas de operación del mismo.