bioreactores para la degradacion de compuestos organicos volatiles

Bioreactores para la degradación de compuestos orgánicos volátiles (COV)
Sonia Arriaga
Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICyT), División de Ingeniería Ambiental y
Recursos Naturales. Camino a la Presa San José No. 2055, Col. Lomas 4a. Sección, C.P. 78216, San Luis
Potosí, México. Tel: + (01 444) 834 2000 Ext. 2024, Fax: + (01 444) 834 2010. e-mail: sonia@ipicyt.edu.mx
Resumen
En las últimas décadas el crecimiento de la población, el fenómeno de concentración de actividades
industriales y del parque vehicular en áreas urbanas, han contribuido a agudizar el problema de la
contaminación atmosférica. Los principales contaminantes regionales de las ciudades industrializadas son las
partículas suspendidas (PS) y los compuestos orgánicos o inorgánicos volátiles (COVs y CIVs). Algunos
efectos globales causados por la contaminación del aire son: la afectación de los bosques y ecosistemas
acuáticos debido a las lluvias ácidas, el cambio climático, además de la reducción de la capa de ozono
estratosférico que ya afecta severamente la Antártida y otras partes del mundo.
Tradicionalmente las emisiones de COVs son tratadas por métodos fisicoquímicos incluyendo absorción,
adsorción sobre carbón activado, incineración, condensación y procesos de oxidación. Sin embargo, cuando la
concentración de COVs es baja los métodos de tratamiento biológicos resultan ser más adecuados que los
fisicoquímicos. Los tres diseños más importantes de bioreactores utilizados en las tecnologías de limpieza
biológica son los biofiltros, biolavadores y filtros de escurrimiento, entre otros. El objetivo del presente
trabajo es hacer una discusión amplia de las ventajas y desventajas de usar bioreactores para la eliminación de
COVs, así como ejemplificar los diferentes tipos de bioreactores que existen hasta este momento.
1. Introducción
Hoy en día la contaminación atmosférica es un problema ambiental muy importante, cuya toma de conciencia
se ha incrementado en los últimos años como consecuencia del avance de la tecnología y la previsión de que
las cada vez mayores emisiones de contaminantes a la atmósfera alteren el equilibrio natural existente entre
los distintos ecosistemas, afecten la salud de los humanos y a los bienes materiales o, incluso, provoquen
cambios catastróficos en el clima terrestre (Semarnat, 2003).
Los principales contaminantes emitidos a la atmósfera son las partículas suspendidas (PS) y los compuestos
orgánicos o inorgánicos volátiles (COVs y CIVs). Algunos efectos globales causados por la contaminación
del aire son: la afectación de los bosques y ecosistemas acuáticos debido a las lluvias ácidas, el cambio
climático, además de la reducción de la capa de ozono estratosférico que ya afecta severamente la Antártida y
otras partes del mundo.
Tradicionalmente las emisiones de COVs son tratadas por métodos fisicoquímicos incluyendo absorción,
adsorción sobre carbón activado, incineración, condensación y procesos de oxidación. Sin embargo, cuando la
concentración de COV es baja los métodos de tratamiento biológicos resultan ser más adecuados que los
fisicoquímicos.
2. Objetivo
1
El objetivo del presente trabajo es hacer una discusión del uso de reactores biológicos para el tratamiento de
corrientes de aire contaminadas con COVs, así como ejemplificar las diferentes configuraciones de
bioreactores que existen.
3. Resultados y Discusión
3.1 Principales contaminantes del aire y fuentes de emisión
En la Tabla 1.1 se muestran los contaminantes más importantes que se emiten a la atmósfera.
Tabla 1.1. Tipos de contaminantes más importantes emitidos a la atmósfera
Tipo de contaminante
Compuesto
PST (Partículas suspendidas totales)
Partículas fracción respirable, plomo
CIV
(Compuestos
inorgánicos H2S, SO2, CS2, NH3, NOx
volátiles)
COV (Compuestos orgánicos volátiles) Hidrocarburos (HC), compuestos aromáticos, alcoholes,
aldehídos, cetonas.
Gases de invernadero
CO2, CH4, O3 (Ozono), CFC (Clorofluorocarbono)
Las alteraciones en la composición del aire atmosférico son originadas de fuentes naturales y antropogénicas.
Dentro de las fuentes naturales podemos mencionar los granos de polen, esporas de hongos y las erupciones
de los volcanes como: cenizas, partículas, compuestos volátiles, dióxido de azufre, NO x, CH4 (Vesilind y col.,
1990). La contaminación proveniente de fuentes antropogénicas se ha incrementado exponencialmente con la
revolución industrial. Estas pueden ser divididas en dos tipos:
 Fuentes móviles originadas por el transporte de material o personas: automóviles, aviones,
embarcaciones, camiones, ferrocarril, etc.
 Fuentes fijas: generadas por la industria de energía eléctrica, química, maderera, textil, alimentaría,
procesadora de productos vegetales y animales, metalúrgica, curtidurías, tintorerías, imprentas,
lavado de componentes, emisiones de plantas de tratamiento de agua residual y rellenos sanitarios.
En el inventario de 1998 de la SEMARNAT, se reportó que el transporte es la principal fuente de
contaminación con el 70% (95% del CO, 70% de los NO x, 43% de los hidrocarburos) del volumen total de las
emisiones a la atmósfera. Las fuentes naturales contribuyeron con el 17% del total de las emisiones (80%
PST). El sector de servicios emitió un poco menos del 5% (90% HC) y la industria un porcentaje inferior al
3% (70% SO2, 11% NOx).
El estudio de la eliminación de COVs que es de interés en este trabajo es debido a que en presencia de la luz
solar contribuyen a la formación de ozono y de esta manera a producir sus efectos negativos, según la
siguiente reacción química:
Luz solar + COV + NOX + aire/O2

Ozono
La contaminación por ozono troposférico causa efectos perjudiciales en la salud humana, en el medio
ambiente como en las especies vegetales y en los cultivos. Debido a su gran variedad, no se conocen
completamente los efectos de la emisión COVs, pero se sabe que algunos son tóxicos y carcinógenos como el
benceno (EPA, 1990). Los efectos producidos por los COVs dependen principalmente de la concentración y
tipo de contaminante, del tiempo de exposición y de las fluctuaciones temporales en las concentraciones de
contaminantes, así como de la sensibilidad de los receptores y el sinergismo entre contaminantes (EPA,
1990).
3.2. Tecnologías de tratamiento de aire contaminado
2
Debido a la diversidad y a la cantidad de COVs emitidos a la atmósfera, una gran variedad de tecnologías de
tratamiento de aire contaminado han sido desarrolladas. Los procesos de tratamiento de aire contaminado
envuelven uno o varios pasos de separación fisicoquímicos.
Las principales tecnologías para la recuperación y recirculación de aire contaminado con COVs son las
siguientes (Delhoménie y Heitz, 2005):
a) Tecnologías de transferencias de fase: adsorción y absorción.
b) Tecnologías para la concentración de COV: condensación, crio-condensación y procesos de
membrana. Estas tecnologías permiten la extracción de COVs de la fase gas a otra fase donde son
concentrados.
Los procesos de oxidación los cuáles permiten la eliminación parcial o total del COV son:
1. Procesos de combustión: incineración y oxidación catalítica.
2. Tecnologías de oxidación química o catalítica.
3. Tratamiento biológico: biofiltro, biolavador, filtro de lecho escurrido, bioreactores de membrana,
bioreactores con células suspendidas, etc.
La elección de cualquier tecnología para tratamiento de aire contaminado depende de las condiciones de
operación: Velocidad de flujo, concentración de COV, temperatura, humedad, etc. Así como de las
características fisicoquímicas del contaminante (solubilidad, nivel de biodegradabilidad, inflamabilidad, etc).
En la Figura 1.1 se presentan las tecnologías de tratamiento de COVs de acuerdo a la concentración y flujo de
aire.
Como se puede observar en la Fig. 1.1 los procesos de tratamiento biológico para la eliminación de COVs
(alcoholes, cetonas, aldehídos, compuestos aromáticos, alifáticos, etc.) se utilizan para tratar COVs con baja a
moderada concentración (1-1000 ppm) y con altas velocidades de flujo.
1000000
In cin e ra ció n y
O xid a ció n ca ta lítica
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en
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A d so rció n
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C o n d e n sa ció n
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F lu jo d e a ire , (m .h )
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1
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C o n c e n tra ció n d e C O V , (g .m )
Figura 1.1. Aplicación de varias tecnologías biológicas y no biológicas para el control de contaminación del
aire basado en el flujo de aire y la concentración del contaminante (Devinny y col., 1999).
3.2.1 Reactores biológicos
3
El interés particular del uso de bioreactores es que no utilizan otro tipo de energía más que la capacidad de los
microorganismos para metabolizar un variado rango de COVs.
Los catalizadores son especies microbianas heterotróficas (bacterias, hongos, levaduras) que son capaces de
utilizar el COV de dos formas:
a) Utilizar los contaminantes como fuente de energía, estos se oxidan en el curso de la ruta catabólica (cadena
respiratoria) generando ATP.
b) Los contaminantes son utilizados como fuente de carbono durante el proceso anabólico dando lugar al
crecimiento celular.
Los productos de la reacción biológica son: dióxido de carbono, agua, subproductos de degradación
relacionados con la presencia de heteroátomos en el esqueleto de los COV (Cl, S, N, etc.), biomasa, y
subproductos orgánicos (metabolitos tales como exopolímeros). Las bio-oxidaciones son reacciones
exotérmicas (kcal/mol VOC oxidado), por lo que el calor es un producto de biodegradación.
La Figura 1.2 muestra esquemáticamente la eliminación de COVs mediante oxidación biológica:
ta
bo
O
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P ro d u cto s
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CO2
R e sp ira ció n e n d ó g e n a
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N u e v a s cé lu la s
B io p o lím e ro s
Figura 1.2. Utilización de sustratos en un proceso microbiano y flujo de carbono.
Los principales reactores para el tratamiento biológico de aire contaminado se muestran en la Tabla 1.2 y una
esquematización de los procesos se muestra en la Figura 1.3:
Tabla 1.2. Clasificación de reactores biológicos para el tratamiento de aire
Biomasa
Fase líquida
Reactor
Fija sobre un soporte
Estacionaria
Biofiltro (A)
Fija sobre un soporte
Fluyendo
Biofiltro de lecho escurrido (B)
Contactores biológicos rotatorios (C)
Suspendida
Fluyendo
Biolavador (D)
Suspendida o fija
Estacionaria
Crecimiento suspendido
Reactores de 2-fases (E)
Fija sobre una membrana
Fluyendo
Membrana (F)
Los factores que afectan el desempeño de los reactores biológicos son: humedad, nutrientes, pH, temperatura,
carga del contaminante, propiedades fisicoquímicas del compuesto a degradar, tipo de microorganismo,
cantidad de oxígeno solubilizado para oxidar el contaminante, entre otros.
Los biofiltros son los reactores biológicos más utilizados (Devinny y col., 1999; Kennes y Veiga, 2001), ya
que en ellos se pueden tratar tanto compuestos hidrofílicos como hidrofóbicos, además de que los costos de
operación y mantenimiento son menores que los reactores biológicos con otras configuraciones. En el caso de
los biolavadores presentan estabilidad en la operación y permiten el control del pH y adición de nutrientes, sin
4
embargo el uso de biolavadores se ve limitado solo al tratamiento de compuestos solubles (Coeficientes de
Henry <0.01) y un inconveniente es que durante la operación se genera agua residual. El biofiltro de lecho
escurrido es útil para tratar compuestos poco solubles (Coeficiente de Henry <0.1), además permite la adición
continua de nutrientes la cuál facilita el control de parámetros de operación (nutrientes y pH). Sin embargo, la
distribución y recirculación de nutrientes genera costos de energía y provoca taponamiento del reactor. En el
caso de los reactores con células suspendidas para tratamiento de aire contaminado su uso se ve limitado
también solo a compuestos solubles, además de que los costos energéticos requeridos para la agitación son
mayores que al utilizar biofiltros. Una variante de estos reactores es la adición de una fase oleosa la cual
permite incrementar el transporte de masa del COV de la fase gas a la fase acuosa (oleosa-microorganismos),
por lo que la aplicación de los reactores con células suspendidas de dos fases puede ampliarse al tratamiento
de COVs hidrofóbicos (Davison y Daugulis, 2003; Arriaga y col., 2006). El uso de reactores de membrana
por otro lado se ve limitado a nivel laboratorio ya que los costos de operación y mantenimiento son altos.
Actualmente, a escala industrial se tienen aplicaciones tanto de biofiltros como de bioreactores de lecho
escurrido (Morgan-Sagastume y Revah, 2005).
Q IC
Cg
C ontac tor bi ológic o
rotatori o
E ntrada
de aire
Q IC
CG
A ire
tratado
A ire
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E ntrada
de aire
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F as e org ánic a
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tratado
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tratado
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B
N utrie ntes
D
M ic roor ganis m o y nutrientes
F
Figura 1.3. Diagrama de reactores biológicos para el tratamiento de aire contaminado.
4. Conclusiones
En este trabajo se ejemplifico de manera general el uso de tratamientos fisicoquímicos y biológicos para la
degradación de compuestos orgánicos volátiles, así como el principio de degradación de hidrocarburos
mediante el uso de biocatalizadores. En general los bioreactores son útiles para tratar corrientes de aire con
concentración de COVs bajas y con altos flujos de aire.
BIBLIOGRAFIA
 C. Kennes, M. C. Veiga, “Bioreactors for waste gas treatment”, Kluwer Academic Publishers The
Netherlands, 2001, pp. 47-98, 215-254.
 C. T. Davison, A. J. Daugulis, “Adressing biofilter limitations: A two-phase partitioning bioreactor process
for the treatment of benzene and toluene contaminated gas streams”, Biodegradation, 2003, 14:415-421.
 EPA, 1990
 J. S. Devinny, M. A. Deshesses, T. S. Webster, “Biofiltration for air pollution control”, Boca Raton, FL :
Lewis Publishers/CRC Press. 1999. pp 81-110.
5
 M. C. Dehoménie, M. Heitz, “Biofiltration o fair: A Review”. Critical Reviews in Biotechnology, 2005,
25:53-72.
 P. A. Vesilind, J. Perirce, R. F. Weiner, “Environmental Pollution and Control”, 1990, 3ra. Edición.P. 249.
 S. Arriaga, R. Muñoz, S. Hernández, B. Guieysse, S. Revah, “Gaseous hexane biodegradation by Fusarium
solani in two liquid phase packed-bed and stirred tank bioreactors”, Environ Sci Technol, 2006, 40(7)
2390-2395.
 S. Revah, J. M. Morgan-Sagastume, “Methods for odor and VOC control”, Biotechnology for Odour and
Air Pollution. Z. Shareefdeen, A. Singh, Eds. Springer-Verlag, Heidelberg, Germany, 2005, p.29-64.
 SEMARNAT, INE. Dirección General de Investigación sobre la Contaminación Urbana, Regional y
Global. Inventario Nacional de Gases de Efecto Invernadero. 2003. México, DF.
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