El Desarrollo de Bioprocesos para el Tratamiento de Aire Contaminado Emitido por Fuentes Fijas. Parte 2

FUNDAMENTOS DE LOS PROCESOS DE TRATAMIENTO DE AIRE

Microbiología

La mineralización de los contaminantes (transformación en CO₂ y H₂O) se encuentra limitada por la recalcitrancia de la molécula al ataque biológico. Así, se pueden presentar casos en donde una porción de los contaminantes no es degradada, como el caso de las isoparafinas en los vapores de gasolina (19).

Los microorganismos involucrados en estos procesos dependen de las características de los contaminantes (6). Para el caso de compuestos o mezclas biogénicas es fácil encontrar, por su ubicuidad, microorganismos que degraden los contaminantes a partir de tierras, lodos activados, compostas, etc. Para el caso de compuestos más recalcitrantes es necesario realizar un proceso de selección para encontrar microorganismos eficientes para la oxidación de los contaminantes. Estudios con sistemas con cepas puras de microorganismos adaptados, han dado resultados que rebasan los obtenidos con poblaciones mixtas naturales. De esta forma, García y col. (24) reportaron una capacidad de eliminación de tolueno superior a 250 g m^-3h^-3; se obtuvo con un hongo filamentoso (Scedospo-rium apiospermum) que fue aislado de un biofiltro adaptado para el consumo de tolueno. Este valor es un orden de magnitud superior al encontrado con biofiltros típicos de composta. Para el caso de ciertos compuestos altamente recalcitrantes se requiere la presencia de otros compuestos orgánicos para poder realizar la oxidación, este proceso se conoce como co- metabolismo. Éste es el caso del metil-butil éter (MTBE) en donde se encontró que otros componentes de la gasolina, principalmente los nalcanos, coadyuvan en el inicio de la degradación cometabólica del MTBE.

Los estudios fueron llevados a cabo en la UAM desde matraz hasta reactor (9, 15, 25). Otro ejemplo interesante es el reportado por Lee y col., (26) en donde la degradación cometabólica de xilenos se lleva a cabo en presencia de benceno, tolueno y etil benceno por una cepa pura (Stenotrophomonas maltophilia).

Proceso

La degradación de los contaminantes por los microorganismos no puede realizarse directamente de la fase gas sino requiere de un paso previo de transferencia a un medio líquido en donde se encuentran los microorganismos formando la biopelícula (figura 5). Este transporte se lleva a cabo debido a un gradiente de concentración entre las dos fases.

Para que la biofiltración sea competitiva con los otros métodos de tratamiento este fenómeno de transferencia aire-líquido debe ser rápido, ya que típicamente los tiempos de residencia en los biofiltros son cortos. El transporte de los contaminantes al interior de la biopelícula se lleva a cabo por difusión. En la interfase gas-líquido, los contaminantes y el oxígeno se encuentran en equilibrio.

Para concentraciones bajas de sustrato (contaminante) los microorganismos activos en la parte exterior de la biopelícula consumen rápidamente el contaminante impidiendo que los microorganismos que se encuentran en el interior entren en contacto con el sustrato. Por otro lado, a altas concentraciones de un contaminante fácilmente degradable, se favorece el crecimiento excesivo de la biopelícula, el oxígeno presente será consumido en esta porción de la biopelícula permitiendo la formación de zonas anaerobias en la parte interior. En los filtros de escurrimiento la recirculación de la fase líquida provoca el desprendimiento de la biopelícula. Otros fenómenos, tales como la retro-difusión del CO2 producido y la formación de algunos subproductos también suceden dentro de la biopelícula.

A nivel reactor el principal reto de proceso es el de mantener la humedad apropiada en el caso de biofiltración (6, 11, 27). Cuando la humedad es baja, debida al secado, disminuye sensiblemente la actividad biológica y por lo tanto el desempeño global del sistema. Por otro lado cuando se agrega demasiada agua se pueden provocar taponamiento y la formación de zonas anaeróbicas. El secado de biofiltros se encuentra determinado por la humedad del aire de entrada, el flujo y por el calor liberado por la reacción de oxidación. En un estudio reciente, Morales y col. (28), reportan el modelamiento de este proceso. Ellos encontraron que para un biofiltro con un tiempo de residencia de un minuto que recibe aire con una humedad de 90% y tiene una capacidad de eliminación (ver eq. 1) de tolueno de 100 g/m3 reactor/h pierde 27 litros de agua diarios por evaporación. La ausencia de control llevaría rápidamente a la pérdida de actividad en este sistema.

Figura 5 ASPECTOS FÍSICOS DE LA BIOFILTRACIÓN

Los microorganismos utilizan el contaminante como fuente de carbón y energía (compuestos orgánicos) o sólo como fuente de energía (ciertos compuestos nitrogenados y azufrados) (figura 6). Además los microorganismos requieren de nutrientes inorgánicos que son tomados del soporte o adicionados, en el caso de soportes inertes. La utilización del contaminante implica producción de más biomasa y la oxidación parcial o total del contaminante. A su vez la biomasa, bajo ciertas condiciones, sufre una oxidación por respiración endógena reduciéndose la acumulación.

Además de la biomasa activa, en la biopelícula pueden existir microorganismos inactivos, es decir, microorganismos que no son capaces de oxidar el contaminante o bien microorganismos depredadores. Una representación del ciclo de la población microbiana se muestra en la figura 6.

Mediante la muerte y lisis de la población algunos nutrientes son reciclados.

En los procesos biológicos de control de contaminación de aire no es posible considerar la esterilización del gas por motivos económicos.

Por lo tanto, las poblaciones dentro de los equipos deben ser capaces de oxidar los contaminantes en condiciones altamente competitivas de noesterilidad.

Modelos

El concepto de biopelícula se ha utilizado para la descripción matemática de los fenómenos que llevan a cabo durante la degradación biológica en un biofiltro. Los modelos de biopelículas fueron desarrollados para tratamiento de agua contaminada y de ahí fueron adaptados para biofiltros. Estos modelos, a pesar de su simplicidad y limitaciones han sido aplicados exitosamente tanto en la predicción del comportamiento de biofiltros escala laboratorio como en biofiltros industriales. En 1983, Ottengraf y van Den Oever (29), propusieron el primer modelo matemático que a la fecha sigue siendo el mas comúnmente usado en biofiltración.

El principal índice de desempeño que caracteriza un biofiltro es la capacidad de eliminación, que se define como la masa eliminada de contaminante por volumen de reactor por unidad de tiempo. La capacidad de eliminación está dada por la siguiente expresión,

donde, CGe es la concentración de entrada del contaminante en la fase gas; CGs es la concentración de salida del contaminante en la fase gas; U es la velocidad superficial del gas; V, es el volumen del lecho.

EL MODELO DE OTTENGRAF Y VAN DEN OEVER

Este modelo fue propuesto bajo las siguientes consideraciones:
a) El espesor de la biopelícula es significativamente pequeño con respecto al tamaño de partícula del soporte, por lo tanto podemos considerar una geometría plana.
b) El contaminante se transporta de la fase gaseosa a la fase líquida sin resistencia externa a la transferencia.
c) En la interfase entre la fase gas y la fase líquida, existe un equilibrio.
La relación de concentraciones puede ser determinada por la Ley de Henry.
d) El contaminante se moverá en la biopelícula únicamente por difusión, descrita por el coeficiente de difusión efectiva, Def. La fuerza impulsora es el gradiente ocasionado por el consumo del contaminante por los microorganismos.
e) El espesor de la biopelícula, d, es pequeño comparado con el diámetro de partícula del soporte, por lo tanto se puede asumir una geometría plana. El espesor de biopelícula es constante a lo largo del biofiltro.
f) La fase gaseosa se mueve convectivamente a lo largo del lecho en flujo pistón, es decir, no existen gradientes radiales de concentración.
g) La cinética de consumo del sustrato está dada por la ecuación de Michaelis-Menten

donde: k es la constante cinética de degradación, µmax la constante máxima de crecimiento, CL es la concentración en el líquido, K M la constante de Michaelis-Menten y X es la concentración de microorganismos activos.

La ecuación diferencial para el estado estacionario es:

Con las siguientes condiciones de frontera:

Donde, Def es la difusividad efectiva del contaminante en la biopelícula; CL es la concentración del contaminante en la fase líquida; k es la constante cinética de degradación; CG es la concentración del contaminante en la fase gas; x es la coordenada longitudinal de la biopelícula; d es el espesor de la biopelícula; m es el coeficiente de partición líquidogas (figura 7).

Cinéticas de reacción orden cero

En este caso KM << CL y la ecuación (2) puede ser expresada como:

Bajo estas condiciones pueden existir dos regímenes de operación de un biofiltro, como lo muestra la figura 8.
1) Régimen controlado por reacción, en concentraciones mayores a la crítica, y
2) Régimen controlado por difusión, en concentraciones por debajo de la concentración crítica.

Figura 7 ESQUEMATIZACIÓN DE LA BIOPELÍCULA (29) 1. Régimen controlado por reacción. 2. Régimen controlado por difusión.

Las expresiones para las soluciones del modelo de Ottengraf y van Den Oever son:

1. Para el régimen controlado por reacción, concentraciones mayores a la crítica. La biopelícula se encuentra totalmente penetrada y la solución de la ecuación (3) es:

Donde: K0 = k0 • AS • d es la constante aparente de cinética de reacción; AS es el área superficial de biopelícula por volumen de lecho; H es la altura del biofiltro; U es la velocidad superficial del gas.

2. Para el régimen controlado por difusión, concentraciones menores a la crítica. La película se encuentra parcialmente penetrada a un valor de l, expresado como.

Cinética reacción de primer orden

Para este caso KM >> CL la cinética está dada por la expresión:

La solución de la ecuación es:

es la constante aparente de cinética de reacción.

Los parámetros requeridos por este modelo, tales como el área superficial, espesor de biopelícula, la difusividad efectiva del compuesto dentro de la biopelícula y los parámetros cinéticos microbiológicos son difíciles de obtener debido a la heterogeneidad del sistema.

Algunas variaciones a este modelo han sido propuestas por van Lith y col. (27), Ergas y col. (31), y Baltzis y col (32). Algunos otros enfoques como realizar el balance de masa en un elemento de empaque representativo y no en un elemento diferencial de biopelícula o los modelos de relaciones cuantitativas actividad-estructura, QSARs (por sus siglas en inglés) son discutidos por Devinny et al. (1999),(6).

Aplicaciones diversas

Las biotecnologías para el tratamiento de aire contaminado por compuestos orgánicos e inorgánicos volátiles son tecnologías que han sido probadas en diferentes aplicaciones industriales principalmente en países como Alemania, Holanda y Estados Unidos (6, 18). Su efectividad en el tratamiento de aire contaminado, características como bajo costo de construcción y de operación hacen particularmente interesantes este tipo de tecnologías para su aplicación en países de Latinoamérica como lo demuestran los ejemplos en México (4, 12, 14, 16, 19, 33, 34, 35) y Colombia (17).

Las aplicaciones industriales de la biofiltración más relevantes están enumeradas en la tabla 3:

Fuente: www.cua.uam.mx