En este trabajo se presentan las herramientas desarrolladas por el grupo de investigación de la Universidad Politécnica de Cataluña en Manresa y colaboradores en el estudio de los bioprocesos para el tratamiento de corrientes gaseosas y olores.
Entre otras, son destacables el uso de microsensores para la caracterización de biopelículas, la simulación del comportamiento hidrodinámico de los biorreactores para un diseño más preciso o el uso de configuraciones no convencionales, como los reactores de membrana, para superar las limitaciones actuales que presentan los bioprocesos clásicos.
A.D. Dorado*, X. Guimerà, Ll. Prades, E. Morral y X. Gamisans
Universidad Politécnica de Cataluña, Av. Bases de Manresa, 61-73, 08242 Manresa (Barcelona) España
toni.dorado@upc.edu
Conflictos de interés: El autor declara que no existe conflicto de intereses.
Editor académico: Carlos N Díaz.
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Cita: A.D. Dorado, X. Guimerà, Ll. Prades, E. Morral y X. Gamisans, Técnicas avanzadas en el estudio de bioprocesos para el tratamiento de aire y olores, III Conferencia Internacional sobres gestión de Olores en el Medio Ambiente, Bilbao, España, www.olores.org
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ISBN: 978-84-608-2262-2.
Palabras clave: microsensores, CFD, biorreactores de membrana, modelización, transferencia de materia.
Resumen
En este trabajo se presentan las herramientas desarrolladas por el grupo de investigación de la Universidad Politécnica de Cataluña en Manresa y colaboradores en el estudio de los bioprocesos para el tratamiento de corrientes gaseosas y olores, destacando entre ellas el uso de microsensores para la caracterización de biopelículas, la simulación del comportamiento hidrodinámico de los biorreactores para un diseño más preciso o el uso de configuraciones no convencionales, como los reactores de membrana, para superar las limitaciones actuales que presentan los bioprocesos clásicos. Con una elevada monitorización se evalúa durante un periodo continuado de 2 meses el comportamiento de una membrana biológica para la eliminación de compuestos volátiles que pudieran ser susceptibles de producir problemas de olores o problemas ambientales. Para conocer las limitaciones del sistema se desarrollan unos microsensores con elevada resolución espacial que permiten obtener información del interior de la biopelícula. Esta información es de gran utilidad para desarrollar modelos hidrodinámicos avanzados que permitan conocer mejor y optimizar los procesos biológicos para el tratamiento de gases y olores. Estos instrumentos de análisis avanzados pueden ser fácilmente adaptados a nuevas aplicaciones y su potencial de aplicación aún se encuentra en vías de desarrollo.
1. Introducción
El grupo de investigación de la Universidad Politécnica de Cataluña ubicado en la población de Manresa (Barcelona) y liderado por el Dr. Xavier Gamisans lleva los 10 últimos años de su historia focalizando sus esfuerzos en mejorar el conocimiento de los procesos biológicos utilizados en el tratamiento de compuestos gaseosos y olores (www.biofiltration.cat). En esta última década, y en estrecha relación con el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad Autónoma de Barcelona, y en colaboración con otros grupos nacionales, como la Universidad de Cádiz o Universidad de Valladolid, y grupos internacionales como la Universidad Autónoma Metropolitana de México, la Universidad de Duke (EEUU) o la UNSW de Australia se han desarrollado técnicas que permiten mejorar el conocimiento de cómo los bioprocesos pueden ser una alternativa atractiva a los procesos convencionales físico-químicos de tratamiento de contaminantes gaseosos y olores. El interés que despierta esta investigación se ve reflejado también con un creciente número de convenios con empresas del sector como Ecología Técnica, Aigües de Manresa, Ros Roca, Tecnium, La Fageda o Nubiola Pigmentos, entre otros.
Los biorreactores para el tratamiento de efluentes gaseosos y olores utilizan la actividad metabólica de microorganismos para tratar contaminantes en fase gas, los cuales son fuente de energía y materia esenciales para el crecimiento microbiano. Los contaminantes deben ser transferidos de la fase gas a una fase líquida y/o a una fase biopelícula antes de ser degradados biológicamente. Los más utilizados son lo biofiltros percoladores, aunque en el caso del tratamiento de compuestos poco solubles (terpenos, compuestos organosulfurados, hidrocarburos,…) esto puede ser una importante limitación. En este sentido el uso de membranas biológicas, ampliamente utilizadas en el tratamiento de aguas, podría suponer una mejora (Reij et al. 1998; Lebrero et al. 2014). Aprovechando la elevada permeabilidad y afinidad de algunos materiales por compuestos hidrofóbicos, la membrana se utiliza como soporte para el crecimiento de la población microbiana responsable de la biodegradación (Álvarez-Hornos et al. 2012). Esto incrementa de manera sustancial el gradiente de concentraciones disponibles para el transporte de materia. La eficacia del bioreactor de membrana se encuentra a menudo asociado a los materiales de construcción, siendo los más habituales el polidimetilsiloxano (PDMS), polipropileno (PP), polietileno (PE) y el polifluoruro de vinilideno (PVDF) entre otros (Kumar et al. 2008).
Para estudiar la transferencia, la difusión y la degradación de contaminantes que constituyen estos sistemas, la modelización matemática se presenta como una herramienta muy potente para entender las relaciones que se establecen entre los distintos fenómenos y las condiciones en las que se operan, así como detectar posibles limitaciones y, por tanto, optimizar y mejorar su rendimiento. El uso de herramientas avanzadas de monitorización, como el desarrollo e implementación de microsensores para la caracterización y seguimiento de las biopelículas, permite dejar de describir estos procesos como cajas negras. De este modo se consigue información relacionada con la evolución temporal de la concentración de distintas especies químicas (oxígeno, sulfuro de hidrógeno y pH, entre otras (Revsbech 2005) a distintas profundidades en el interior de la biopelícula, permitiendo recoger una información de gran utilidad. El uso de la citada tecnología en el campo de la ecología microbiana es mucho más reciente y se ha centrado fundamentalmente en el estudio de los fenómenos químicos y biológicos desarrollados en biopelículas (Bishop et al. 1995; Santegoeds et al. 1998) y sedimentos de entornos acuáticos (Jeroschewski et al. 1996; Gao et al. 2010). Considerando el reducido tamaño de los microelectrodos, se pueden obtener datos con una elevada resolución espacial y con una mínima perturbación del microsistema. Por otro lado, existe una segunda aproximación en la fabricación de microsensores, en este caso basados en tecnología microelectrónica, los cuales son procesos ampliamente estandarizados que permiten la producción en masa de los sensores, con una elevada repetividad y con un coste final bajo comparado con los comerciales (Moya et al. 2014; Lee et al. 2011). La tecnología microelectrónica es ampliamente conocida en la fabricación de circuitos integrados, pero también permite la realización de microdispositivos con sensores aplicados en diversas áreas industriales como la del automóvil.
La valiosa información proporcionada por estos microsensores permite avanzar de manera significativa en la modelización de los sistemas biológicos de tratamiento de olores, un aspecto que está poco desarrollado en comparación con la investigación experimental que se ha realizado en torno a éstos. En la última década, la Dinámica Computacional de Fluidos (Computational Fluid Dynamics-CFD) se ha establecido como una herramienta útil en el estudio de la hidrodinámica y las características de transportes en reactores, además de ser una técnica indiscutiblemente poderosa para permitir predicciones precisas de la hidrodinámica de los sistemas (Jia et al. 2007; Wang et al. 2011; Climent et al. 2015). En combinación con medidas experimentales del sistema estudiado, las técnicas CFD están diseñadas para producir soluciones muy detalladas de todas las variables relevantes en el campo de la mecánica de fluidos.
Por todo lo expuesto en este apartado, el objetivo de este trabajo es demostrar a base de estudios concretos como el uso de técnicas avanzadas de monitorización y modelización permiten obtener información clave para el desarrollo de los bioprocesos en el tratamiento de aire y olores, poniendo especial énfasis en la configuración de membrana biológica como propuesta de mejora en compuestos volátiles poco solubles.
2. Materiales y métodos
La planta piloto consta de una membrana de fibra hueca de polipropileno por donde circula una corriente gaseosa compuesta por mezclas de aire con tolueno y/o isooctano hasta una concentración de 1000 ppmv. El diámetro interno de los capilares es de 1.8 mm. Por el otro lado de la membrana una fase líquida se utiliza para la inoculación y aportación de los nutrientes necesarios a los microorganismos. Se regulan los caudales de la fase gas y líquida para trabajar a tiempos de contacto comparables a otras técnicas biológicas (entre 5-60 s para el gas y velocidades de 1-10 m/h para el líquido). En la planta se analiza la composición de dióxido de carbono y oxígeno en el aire (Sick Maihak), la composición de los compuestos volátiles mediante cromatografía de gases (Perkin Elmer) y el oxígeno disuelto (Oxi 3310). El pH (Crison) es controlado mediante la adición de base o ácido. La presión diferencial se monitoriza a ambos lados de la membrana (Testo 512). Se registran los datos de manera automática a través de un sistema de adquisición implementado mediante LabView.
El diseño del microsensor (Moya et al. 2014) consiste en una matriz de 11 microelectrodos de oro, con un diámetro de 50 µm, separados cada uno de ellos por 50 µm y un macroelectrodo de oro en disposición paralela con una superficie de 0.115 mm2. Los 11 pequeños microelectrodos estan diseñados como electrodos de trabajo (sensores) mientras que el macroelectrodo se utiliza como sistema de referencia. Esta configuración fue especialmente diseñada para obtener perfiles de oxígeno en una sola medida. La fabricación se realizó en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (CNM-CSIC).
El modelo de CFD fue implementado y simulado utilizando ANSYS® Academic Research, Release 14.5. El bioreactor fue definido con un dominio simple y la biomasa fue introducida como un subdominio en la parte inferior. Se definió una fase liquida circulando por sobre la biopelícula inmovilizada sobre una superficie. La fase líquida se compone de agua, el contaminante y oxígeno. Un modelo hidráulico de pérdidas de presión se introduce en la ecuación de cantidad de movimiento con el objetivo de modelizar las características físicas de la biomasa. La implementación de las reacciones biológicas en el programa se realiza mediante la metodología propuesta por Climent et al. 2014. Las variables de las expresiones cinéticas se definen como variables adicionales en el dominio incluyendo una ecuación extra de transporte para cada una de las variables adicionales:
Donde U es la velocidad de flujo, ρ es la de densidad de la mezcla, φ es la cantidad conservada por unidad de volumen, ϕ=φ/ρ es la cantidad conservada por unidad de masa, Sφ es el término volumétrico de reacción y Dϕ es la difusión cinemática para la variable.
Se asume que la convergencia es correcta cuando el máximo residual de cada ecuación (cantidad de movimiento, masa y variables adicionales) alcanza un valor inferior a 1·10−4 y las variables adicionales mantienen un valor constante.
3. Resultados y discusión
Aunque las membranas biológicas han sido ampliamente utilizadas en el tratamiento de aguas su implementación en el campo del tratamiento de gases es más limitada, y por tanto también en el tratamiento de olores. En este tipo de tecnología la inmovilización de la biomasa sobre la membrana y la capacidad de ésta para mantener activos los microorganismos son las primeras incógnitas que se plantean. Un crecimiento excesivo de la biomasa en el interior de los capilares podría rápidamente colmatar los canales y hacer inviable su utilización (Dreszer et al. 2014). Por el contrario, un crecimiento lento podría producir el lavado del sistema con el mismo resultado final.
Para evaluar la capacidad de la membrana para tratar un compuesto modelo poco soluble (tolueno) y determinar la influencia de los parámetros operacionales se realizó una monitorización durante 68 días (Figura 1). En este tiempo se realizaron cambios en el tiempo de contacto del gas, expresado como lecho vacío, (EBRT) y las velocidades de recirculación del líquido (VL).
Fig 1: Capacidad de eliminación respecto el volumen del reactor (EC) y eficacia de eliminación en porcentaje de reducción de la concentración (RE) a diferentes tiempos de contacto y velocidad de líquido.
Se observa como para conseguir eficacias de eliminación próximas al 100% es necesario disponer de tiempos de contacto elevados siendo la transferencia de materia el paso limitante a tiempos de contacto inferiores. Comparativamente, las eficacias de eliminación próximas a los 1000 g.m-3 h-1 son raramente reportadas con configuraciones de bioprocesos convencionales (Dorado et al. 2012). Para conocer con más detalle los fenómenos que gobiernan los procesos de transferencia se han desarrollado unos microsensores que permiten de una manera poco invasiva obtener perfiles de concentración con una elevada resolución próximos a la interfase (Guimerà et al. 2015).
A modo de ejemplo, los microsensores nos pueden proporcionar una fotografía temporal como la que se presenta en la Figura 2A. En este caso se puede observar la evolución de los perfiles de concentración de oxígeno en una biopelícula en condiciones dinámicas como respuesta a una posible perturbación que pueda experimentar el sistema (por ejemplo fallo en el sistema de aireación). Del mismo modo, si los resultados obtenidos experimentalmente se combinan con una descripción ajustada de los procesos hidrodinámicos y biológicos que tienen lugar en el núcleo de estas biopelículas se puede obtener una herramienta muy potente para la predicción del comportamiento de estos sistemas bajo muy distintas condiciones experimentales. En la Figura 2B se comprueba como los datos experimentales obtenidos mediante microsensores se ajustan a la perfección con las simulaciones realizadas mediante CFD. Una simulación del perfil de velocidades como se muestra en la Fig. 2C podría predecir qué efecto produce el crecimiento de la biomasa sobre el flujo y por tanto sobre la operación a largo plazo.
Fig 2. Perfil de concentraciones de oxígeno en una biopelícula heterótrofa a lo largo del tiempo (A); validación del modelo CFD con los datos experimentales obtenidos en el interior de la biopelícula (B) y perfil de velocidades sobre una biopelícula inmovilizada (C)
4. Conclusiones
La larga experiencia que el grupo de investigación ha adquirido en el tratamiento de contaminantes gaseosos y olores mediantes bioprocesos en la última década permite señalar cuáles son los retos que aún quedan por superar para ampliar su aplicación de manera técnica y económicamente competitivas. Las nuevas configuraciones como las membranas biológicas pueden abrir caminos a usos que ahora se encuentran limitados para algunos compuestos. Concretamente en este trabajo se ha conseguido cargas de eliminación de 1300 g/m3h; valores no reportados hasta el momento. Por primera vez se ha utilizado con éxito microsensores acoplado a sistemas de predicción mediante dinámica computacional de fluidos con una elevada correspondencia entre ellos. Estos resultados prevén que el uso de instrumentos de análisis avanzados puede ser de gran utilidad para ampliar el conocimiento de las técnicas biológicas en el tratamiento de aire y olores y fácilmente adaptable a nuevas aplicaciones que aún están por desarrollar.
5. Referencias
- Álvarez-Hornos, F.J. et al., 2012. Removal of ethyl acetate, n-hexane and toluene from waste air in a membrane bioreactor under continuous and intermittent feeding conditions. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 87(6), pp.739–745. Available at: http://doi.wiley.com/10.1002/jctb.3734 [Accessed September 17, 2013].
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- Climent, J. et al., 2015. CFD simulation of hydrodynamics and biological reactions in an activated sludge process of WWTP. In IWA, ed. World Water Congress & Exhibition (IWA 2014) Proceedings.
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