Facultad de Medio AmbienteIngeniería AmbientalSantiago Ribadeneira F.28 de enero de 2010

Biofiltración de Tolueno

1. Antecedentes:

Los COVs (Compuestos Orgánicos Volátiles) son compuestos que se producen a causa de varios procesos ambientales naturales; sin embargo, debido a la quema indiscriminada de combustibles, como gasolina, madera, carbón o gas natural, así como el uso de disolventes, pinturas y pegamentos, sus niveles se han disparado incontrolablemente (Moe & Irvine, 2001).

Muchos compuestos orgánicos volátiles son peligrosos contaminantes del aire. La importancia de los COVs reside en su capacidad como precursores del ozono troposférico y su papel como destructores del ozono estratosférico (Kyun et al., 2009). Contribuyen a la formación del smog fotoquímico al reaccionar con otros contaminantes atmosféricos (como óxidos de nitrógeno) y con la luz solar. Se da principalmente en áreas urbanas, dando lugar a atmósferas ricas en ozono de un color marrón (Yanick & Ramsay, 1997). Reduciendo la emisión de estos compuestos orgánicos volátiles y de los óxidos de nitrógeno se conseguiría evitar la formación del smog, también pueden contribuir al desarrollo de cáncer en casos específicos (Lim et al., 2001).

De entre los COVs, el tolueno, un líquido incoloro y con un olor peculiar tiene un interés médico especial ya que puede afectar al sistema nervioso (ATSDR, 2001). Niveles bajos o moderados pueden afectar el sistema nervioso y los sentidos, pero niveles altos pueden causar pérdida del conocimiento o incluso la muerte (Park et al., 2009). Además cada año se emiten aproximadamente 7000 toneladas al ambiente (Lim et al., 2001).

Para tratar dicho contaminante se han establecido varias metodologías, de las cuales la biofiltración (eluir un contaminante a través de una membrana cargada de microorganismos capaces de degradar al contaminante como resultado de su actividad metabólica normal) es la que más éxito ha conseguido (Wu et al., 1999). Sin embargo, a pesar de que la biofiltración es una técnica barata y sencilla, en el Ecuador aún no ha tenido el mismo auge que en otros países, al parecer principalmente por las dificultades para acceder a ellos (Torkian et al., 2003).

2. Descripción del Problema:

Dado que en el Ecuador no existen firmas comerciales que diseñen o vendan biofiltros y que los costos de importación son demasiado elevados, el acceder a biofiltros para degradar tolueno resulta una tarea sumamente compleja, tarea que podría facilitarse en caso de difundir información específica relacionada al tema.

3. Objetivo General:

Difundir información específica relacionada al proceso de biofiltración optimizado para tratar Tolueno.

4. Objetivos Específicos:

Establecer criterios unificados sobre el diseño de un biofiltro para tratar Tolueno. Determinar el o los microorganismos idóneos para usar en el proceso. Establecer los nutrientes adecuados para mantener fluyendo el proceso de biofiltración. Determinar los parámetros críticos a controlar en un proceso de biofiltración de Tolueno. Predecir rendimientos alcanzables por el proceso.

5. Justificación:

La biofiltración, a diferencia de otros bioprocesos como la biorremediación, bioventing y muchos otros es una técnica sencilla y barata que lamentablemente no ha tenido la difusión necesaria en nuestro país como para popularizarse a la escala que lo ha hecho en otros países.

El establecimiento de las características y los parámetros principales requeridos para realizar un proceso de biofiltración de Tolueno sería una alternativa real y factible para aquellos interesados en el área. Adicionalmente el diseño y construcción de biofiltros en el país abarataría enormemente los costos asociados a su ejecución y por ende facilitaría el acceso a dicha tecnología.

6. Marco Teórico:

Históricamente la actividad antrópica ha ocasionado impactos ambientales que en la actualidad están repercutiendo en contra de nosotros mismos. El desarrollo industrial ocasiona la liberación al ambiente de un sinnúmero de sustancias cuyos efectos secundarios provocan alteraciones en los ciclos ambientales normales (Klapková, et al., 2006).

Un claro ejemplo de esto lo constituyen los COVs, los Compuestos Orgánicos Volátiles, que ocurren como resultado de actividades tales como la fabricación de pinturas y barnices con base disolvente, disolventes, pegamentos, dispersantes y agentes desengrasantes (Torkian et al., 2003). Los COVs, por definición son compuestos de carbón, excluyendo que participan en las reacciones fotoquímicas atmosféricas excluyendo al CO, CO2 y H2CO3 (Wu et al., 1999).

La importancia ambiental del estudio de los COVs radica en el hecho de que contribuyen a la formación de smog fotoquímico mediante un proceso en el cual la luz solar disocia el NO2 en NO y O, las moléculas de NO reaccionan con los radicales orgánicos que son formados por la reacción de oxígeno atómico y ozono con los compuestos orgánicos (Torkian et al., 2003). Estos radicales orgánicos son muy reactivos y su reacción con NO incrementa los contaminantes organonitrogenados que ocasionan problemas de salud (Strauss et al., 2000).

Existe un sinnúmero de COVs, de entre los cuales, los más conocidos son el butano, propano, xileno, alcohol butílico, clorobenceno y tolueno, siendo este último de particular interés ya que al ser menos tóxico que los demás ha sido incorporado en varios procesos industriales causando un impacto negativo en obreros y el ambiente en general (Yanick & Ramsay, 1997). El tolueno además de ayudar a la formación del ozono fotoquímico está comprobado que causa daños específicos a la salud como alteraciones cromosómicas y cánceres, por lo que la búsqueda de un tratamiento para su denaturación o inertización se ha venido realizando desde hace ya varios años (ATSDR, 2001). Nuestra legislación permite un máximo de 0,1 mg de tolueno por kilogramo de muestra analizada.

Si bien en un principio se pretendió utilizar tratamientos físicos o químicos para tratar el tolueno, fueron los bioprocesos, procesos biotecnológicos para eliminación de contaminantes donde se utilizan microorganismos para degradar el compuesto contaminante a compuestos no peligrosos, los que dieron mejores resultados (Aizpuru et al., 2005). La finalidad de los bioprocesos es lograr, en el mejor de los casos, que los productos a formarse sean CO2 y H2O, como resultado del metabolismo natural de los microorganismos participantes (Kyun et al., 2009).

De entre los bioprocesos probados para la degradación del tolueno, entre ellas: biofiltros, bioreactores de escurrimiento, biolavadores e incluso biodegradación, la biofiltración es la que mejores resultados ha dado, principalmente debido al hecho de que el tolueno es un compuesto altamente hidrófobo y por lo tanto su absorción hasta el equilibrio en un lecho húmedo (como la biopelícula de biofiltro) es rápida (Lim et al., 2001).

Un biofiltro no es un dispositivo muy complejo, consiste en una columna, empacada con material biológicamente activo, por la cual se hace pasar una corriente de gas que contiene al contaminante (Moe & Irvine, 2001). La humedad de dicha corriente se debe encontrar cerca a la saturación, para evitar el secado del lecho (Park et al., 2009). En un proceso de biofiltración el contaminante pasa de la corriente gaseosa a una biopelícula (microorganismos en medio líquido) formada en la superficie del soporte (Kyun et al., 2009). En esta biopelícula se lleva a cabo tanto la difusión como la reacción (oxidación) del contaminante ( Lim et al., 2001). Los microorganismos pueden estar fijos en algún soporte o libremente dispersos en fase líquida. Los contaminantes pueden ser utilizados para la formación de biomasa (Anabolismo) o para mantener el metabolismo microbiano (catabolismo) (Krishnakumar et al., 2007). Los contaminantes pasarán de la fase gas a la biopelícula y se moverán por medio de difusión. La fuerza termodinámica de transferencia en la biopelícula es el gradiente de concentración ocasionado por la reacción de consumo del microorganismo, éste convierte al contaminante en agua y CO2 (Park et al., 2009). Este proceso funciona bajo el esquema de sistema continuo. Adicionalmente, no representa una inversión económica significativa si se la compara con otros bioprocesos. 6.1.- Microorganismo idóneo para el proceso

Quizá el aspecto más importante a considerar a la hora de desarrollar un proceso de biofiltración sea el encontrar un organismo u organismos capaces de degradar el contaminante; en el caso del tolueno se ha tenido mucho éxito con varias especies de Pseudomona, siendo Pseudomona putida la que mejores resultados ha ofrecido con un rendimiento de 0,44 g de biomasa seca por g de tolueno consumidos. Esto se debe a que el género Pseudomona cuenta con un gen que codifica para la enzima tolueno dioxigenasa que cataliza la conversión de tolueno en varias formas de dihidrodioles (Krishnakumar et al., 2007).

Algo para recalcar en la utilización de la biofiltración como proceso para degradar tolueno es que inclusive se han logrado llegar a obtener velocidades de crecimiento microbiano constante de hasta 0,82 / h dentro del biofiltro (Yanick & Ramsay, 1997).

Tabla 1.- Cinética de crecimiento de las principales cepas degradadoras de Tolueno.

Asociado a su alto rendimiento, Pseudomona putida también ofrece un rango de rentabilidad también alto. Estudios económicos exhaustivos asociados a Análisis Costo Beneficio (ACB) han establecido como valor promedio de degradación de tolueno a través de biofiltración el valor de 30 centavos de dólar cada libra de tolueno tratado y se ha determinado que la biofiltración tiene una rentabilidad óptima en concentraciones de 10 a 600 ppm. El tiempo de residencia es de aproximadamente 3 días para degradar cada kilogramo y para la determinación de la eficiencia se requiere realizar análisis cuantitativos y cualitativos de la fase gaseosa previo al ingreso al biofiltro y después de haberlo atravesado (Krishnakumar et al., 2007).

Sin embargo hay que tener en cuenta que, como resultado del bioproceso, el microorganismo genera residuos sólidos que requerirán de otros tratamientos para ser eliminados del todo como por ejemplo: humidificación, enfriamiento y remoción de partículas (Yanick & Ramsay, 1997).

6.2.- Caracterización de Nutrientes

La caracterización es crucial para la alcanzar la efectividad del bioproceso. Bibliográficamente, la mayoría de autores concuerdan en que los nutrientes que se detallan a continuación son los idóneos para cultivar a Pseudomona putida (Krishnakumar et al., 2007).

Tabla 2.- Nutrientes necesarios para cultivar Pseudomona putida en un biofiltro de degradación de Tolueno (Krishnakumar et al., 2007).

Resultaría extraño el hecho de que se requiera tanto potasio como nutriente para el microorganismo; sin embargo, el requerimiento se debe al hecho de que la enzima tolueno dioxigenasa requiere la energía proveniente de NADPs (Nicotinamin Adenin Dinucleótido Fosfatos) para catalizar su reacción; por ende, un continuo suministro de Potasio es requerido para reactivar los NADs gastados y convertirlos en NADPs necesarios para la degradación del tolueno (Kyun et al., 2009).

6.3.- Parámetros críticos a controlar

Aspectos críticos a considerar: tamaño del biofiltro, material de soporte, pretratamiento a la corriente, composición de corriente y temperatura de corriente, temperatura, caída de presión, flujo, pH (Chetpattananondh et al., 2005). El material de soporte todos los diseños de un biofiltro implican que la biopelícula formada por microorganismos en medio acuoso este soportada por algún material poroso, mientras que el otro lado es el que estará en contacto con la fase gaseosa (Chang & Lu, 2003). El material seleccionado como soporte para el proceso esta formado de partículas de vermiculita, es de origen completamente mineral su fórmula es (Klapková, et al., 2006):

(Ca, Mg)0,16(Mg, Fe, Al)3((Al, Si)4O10)(OH)2 * 3,5 H2O

El material tiene una capacidad de retención de humedad del 80%, con partículas de 5,4mm de grosor, y los mejores resultados se han obtenido a 900 rpm y 30°C, aireación 100 ml/min, alimentación del sistema a

través de bomba periplástica para biofiltros con capacidad de 15 litros, tiempo de residencia óptimo de 162 a 462 seg, velocidad superficial de 0,0015 a 0,032 (m/seg) (Wu et al., 1999).

6.4.- Diseño final

En base a toda la información recabada se presenta a continuación el diseño idóneo para un biofiltro de degradación de tolueno:

Fig. 1.- Esquema del diseño final de un biofiltro de degradación de tolueno.

Adicionalmente, la biofiltración de tolueno ha sido tan estudiada que incluso se poseen modelos matemáticos que pueden predecir el comportamiento de un biofiltro en base a ciertos parámetros; este modelo se denomina módulo de Thiele y se muestra a continuación (Strauss et al., 2000):

¿δ √ X . μmax

γ . K s . Def

Donde:

δ = Espesor de la biopelícula (100 micras)X = Concentración de biomasa en la biopelícula (45,8 a 69,5 g biomasa / m3 biopelícula)

µmax = Velocidad máxima

γ = Rendimiento (g de biomasa seca/g de tolueno) = 1g

Def = Constante de difusividad efectiva del tolueno en la biopelícula = 1,1x10 - 4Ks = 0,05 g/m3

6.5.- Discusión y Conclusiones

La biofiltración es una técnica más simple y barata que otros bioprocesos para tratar contaminantes como la biodegradación, bioventing, biopulping, etc. ya que al llevarse a cabo dentro de un reactor que permite controlar parámetros ambientales como temperatura, presión, pH, etc, permite tener un mayor control sobre el proceso y disminuye la posibilidad de introducir variaciones ajenas causadas por el medio.

Bajo los parámetros exclusivos establecidos en este diseño de biofiltración de tolueno, Pseudomona putida resulta ser el candidato ideal, ya que si bien todas las especies del género Pseudomona contienen la enzima tolueno dioxigenasa, P. putida tiene además el arsenal enzimático para degradar tolueno y hacerlo más rápidamente; sin embargo, esto no impide que se utilicen otras especies del género Pseudomona para biofiltrar tolueno, a pesar de que ello repercutiría negativamente en la eficiencia del biofiltro.

La eficacia del biofiltro depende en gran medida de la porosidad y capacidad de retención de humedad que posea el material de soporte de la biopelícula, por tal motivo la vermiculita resulta ser la opción idónea para realizar este biofiltro. La porosidad y capacidad de retención de agua del mismo le permite retener la carga biológica al mismo tiempo que su naturaleza completamente mineral disminuye su reactividad y evita que interfiera en las reacciones metabólicas de degradación de tolueno.

Bibliografía

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