Bacterias para descontaminar aguas residuales de la minería y la industria

En distintas industrias, en forma muy especial en la minería, la concentración de metales pesados de algunos de los efluentes representa un problema significativo debido a los costos y dificultades que involucra su remoción cuando se necesita cumplir con estándares de descarga, ya sean para su uso como agua de riego o evacuadas a cuerpo de agua, superficial o subterráneo.
En la actualidad los procesos más utilizados son los de tipo fisicoquímico, los que generalmente son deficientes cuando se tiene que reducir a un mínimo la presencia de metales en el efluente.
Para enfrentar este problema, se está desarrollando un proyecto que permite aprovechar las capacidades naturales que tienen diferentes bacterias y otros microorganismos de captar cationes metálicos en sus superficies celulares, proceso conocido como biosorción de metales, en el tratamiento de aguas industriales.
La iniciativa tiene como base investigaciones realizadas por el Laboratorio de Microbiología y Biotecnología de la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas de la Universidad de Chile y cuenta con el aporte de Fondef y la participación empresas mineras y químicas, de desarrollo y transferencia tecnológica, entidades públicas y organismos internacionales de salud. El proyecto busca diseñar a escala comercial una alternativa eficiente y de bajo costo para la remoción de iones metálicos como Cu2~, Cd2~, Zn2~, Fe3~, presentes en riles industriales.
Davor Cotoras, bioquímico, doctorado en biotecnología en la Universidad Técnica de Braunschweig, Alemania, y director del proyecto, explica que el Laboratorio de Microbiología y Biotecnología ha desarrollado investigaciones en el tema durante 12 años, que se tradujeron en patentes comerciales para un proceso de biosorción por bacterias y un diseño de biorreactor, que hoy se busca llevar a escala industrial. "De esta manera, el conocimiento del ámbito académico puede proyectar sus beneficios a toda la sociedad, aportando un proceso de biorremediación destinado a descontaminar aguas industriales, que entre sus desafíos actuales tiene crear los mecanismos de transferencia tecnológica y mejorar el conocimiento sobre el sistema para que sea escalable a un nivel comercial".
Los principales impactos científico-tecnológicos del proyecto serán:
o Generación de una nueva tecnología biológica de descontaminación de iones metálicos
o Formación de expertos en el área, para lo cual se ha adoptado la política de incorporar alumnos tesistas para desarrollos específicos
o Integración de grupos interdepartamentales al interior de la Universidad de Chile y comunicación con investigadores de otros centros universitarios.
o Comunicación con grupos líderes en el tema de biotecnología ambiental y biorremediación de aguas mineras a nivel mundial.
o Lograr la vinculación de la universidad con el sector productivo minero y empresas tecnológicas del área ambiental
Bacterias que captan metales
El sistema de remediación en que se está trabajando, pensando en su aplicación a nivel industrial, considera dos grandes áreas de desarrollo: la primera es un tratamiento previo de los riles, que deja el efluente en condiciones de ser tratado por biosorción. Fernando Valenzuela, químico, master en ingeniería química de la Universidad de Kyushu, Japón, investigador de la facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas de la Universidad de Chile y director adjunto del proyecto, explica que para una adecuada operación en la etapa de biosorción se precisa controlar algunos parámetros, como sólidos suspendidos y concentración de metales, de manera de alcanzar los niveles en que opera en forma óptima el sistema bacteriano. Este último indicador, de concentración de metales, señala Valenzuela, es el más importante, ya que la mayor eficiencia de los biorreactores se logra cuando los metales se encuentran por bajo las 20 partes por millón (ppm), siendo que gran parte de los residuos líquidos de procesos mineros y metalúrgicos, que pueden ser tratados en esta planta, presentan concentraciones bastante superiores.
Para el diseño de la unidad en el que se condicionarán los riles para alcanzar los estándares que requiere el tratamiento biológico, se están realizando pruebas con distintas tecnologías, como precipitación química, extracción por solventes, membranas líquidas de doble emulsión y adsorción sobre polímeros naturales, entre otras. Fernando Valenzuela señala que se están analizado tanto tecnologías probadas como emergentes, de manera de encontrar la mejor solución técnica y económica a las demandas del sistema en su conjunto.
Los sistemas de tratamiento tradicionales que realizan esta función, de carácter físico-químico, por lo general no son lo suficientemente eficientes para disminuir la concentración de metales pesados hasta el cumplimiento de norma y cuando sí se alcanzan altos niveles de remoción, el proceso involucra costos elevados. En el proyecto de biorremediación se busca la combinación de pretratamiento y biosorción para generar una opción viable desde el punto de vista de la remoción de los contaminantes y atractiva desde una perspectiva de los costos de inversión y de su operación.
Biorremediación
El proceso de biosorción se basa en la capacidad espontánea de algunas bacterias, entre ellas algunas del género Bacíllus, para atrapar los metales pesados e insolubilizarlos. Las paredes de estas bacterias, con carga negativa, captan iones metálicos por absorción, intercambio iónico, microprecipitacion y los retienen en su envoltura.
Si bien esta característica de estas bacterias era conocida previamente, su aplicación industrial presentaba dificultades, porque si los microorganismos se encuentran en suspensión pueden captar los iones metálicos en forma natural, pero no existen los medios para retenerlos y son evacuados junto con el efluente. Cotoras señala que uno de los avances de la investigación, en las etapas previas, fue establecer un mecanismo para retener las bacterias y generar las condiciones para que colonicen una superficie inerte, donde forman una biopelícula de alto intercambio iónico, que se mantiene inmovilizada durante los procesos de tratamiento de aguas.
Esta tecnología biológica, cuya base es la operación en un biorreactor donde se aporta nutrientes, oxígeno y las condiciones adecuadas para el crecimiento de las bacterias, ha demostrado, en pruebas de laboratorio, tener una alta efectividad para descontaminar, comparada con otros procesos convencionales. Davor Cotoras explica que en el biorreactor se logra una rápida producción de biomasa, lo que hace suponer la factibilidad de su escalamiento a niveles industriales.
En el proceso de biosorción, las paredes externas de las bacterias captan los metales hasta un punto de saturación. Para que continúe operando en forma eficiente el biorreactor es necesario liberar los metales. Este proceso es conocido como desorción. Para ello se utiliza un medio ácido, que puede ser ácido sulfúrico diluido, que tras arrastrar los iones metálicos deja apta a la biomasa para que continúe operando e inicie un nuevo ciclo de biosorción.
Cotoras explica que en laboratorio se han logrado más de 14 ciclos durante los que la biomasa permanece activa luego de la desorción, una cifra que se espera incrementar en la escala industrial.
Luego de la desorción, los metales pesados se encuentran en una alta concentración y eventualmente pueden ser reintegrados al proceso productivo, con una posible recuperación de los metales, o inertizados.
Para que el sistema pueda operar de manera continua, Davor Cotoras explica que se necesitan por lo menos 3 reactores funcionado en paralelo, ya que mientras dos realizan el proceso de depuración del efluente por biosorción, en el tercero las biopelículas saturadas son limpiadas o bien, si la masa ha disminuido su capacidad de captar metales, se debe realizar la inoculación del biorreactor.
La tecnología básica de este proyecto se desarrolló anteriormente en los laboratorios de Microbiología y Biotecnología y Operaciones Unitarias de la facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas de la Universidad de Chile y se está haciendo un escalamiento progresivo para, hacia el fin del proyecto, poder contar con biorreactores que operen a la escala de una pequeña industria. Para lograr que el proceso funcione en condiciones reales, existen desafíos importantes, señala el director del proyecto, como obtener cepas bacterianas más efectivas y simplificar la operación al mínimo. En esta etapa, un aporte importante lo hacen las empresas productivas, que acercan el proyecto a las necesidades de la industria.
Uno de los mayores éxitos de esta iniciativa, asevera Davor Cotoras, es que una línea de investigación de más de 10 años, iniciada en el ámbito universitario, puede convertirse hoy en un mecanismo efectivo de descontaminación y en un aporte real al desarrollo del sector productivo nacional

Infoagua
Lunes 17 de Noviembre de 2003

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