crecimiento microbial, factores que afectan el crecimiento microbial, cinÉtica del crecimiento...
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CRECIMIENTO MICROBIAL, FACTORES QUE AFECTAN EL CRECIMIENTO MICROBIAL, CINTICA DEL CRECIMIENTO MICROBIAL, SISTEMA SAPRBICO Y CLASIFICACIN SAPRBICADEICY MALAVER CAROLINA ZARATE JULIAN TOROESPECIALIZACIN EN SANEAMIENTO AMBIENTAL
ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERA JULIO GARAVITOI SEMESTRE DE 2012BOGOT-COLOMBIA
CRECIMIENTO MICROBIALLa mayora de las bacterias, algas unicelulares, protozoos y ciertos hongos crecen mediante subdivisin en dos clulas descendientes; este mtodo de reproduccin se conoce como fisin binaria. Llamando: No = numero inicial de microorganismos para el tiempo t = 0. N = numero de microorganismos para el tiempo t. t = tiempo de crecimiento, d. g = tiempo de generacin o perodo requerido para duplicar una poblacin, d. n = nmero de generaciones en el tiempo t.
Se tiene: N = No(2)n En trminos del tiempo de generacin o periodo de cada fisin, el crecimiento microbial de un cultivo puro sin limitaciones ambientales sera:
N = No(2)t/g
Donde
es la tasa especfica de crecimiento, d-1
Un grafico de Ln N contra t, da como resultado una recta de pendiente . Este tipo de crecimiento exponencial, o logartmico, no puede ser interminable puesto que en la naturaleza no existen condiciones de crecimiento ptimo durante tiempo infinito.
Introduciendo unas pocas bacterias en un volumen de residuo soluble, con exceso de suministro alimenticio, con condiciones ambientales apropiadas y sin adiciones posteriores de sustrato, es decir en un reactor de cochada las bacterias crecen sin restricciones.
Fase de aclimatacin:
el nmero de clulas no se incrementa apreciablemente, aunque ellas pueden estar activas y la masa celular puede aumentar.
Fase aceleracin:de crecimiento.
disminuye el tiempo de generacin y aumenta la tasa
Fase exponencial o logartmica:
periodo en el cual el tiempo de generacin es mnimo y constante, la tasa de crecimiento especifico es mxima y constante, la tasa de conversin de sustrato es mxima.
Fase declinante:
fase en la cual el tiempo de generacin se incrementa y la tasa de crecimiento disminuye.
Fase estacionaria:
fase en la cual se agotan los nutrientes, existe una densidad mxima de poblacin y el numero de clulas nuevas es aproximadamente igual al numero de clulas que mueren.
Fase endgena:
en la cual se presentan el metabolismo endgeno una tasa de mortalidad alta y lisis celular. Tanto en la fase estacionaria como en la fase endgena existen clulas que ni se reproducen ni mueren, simplemente existen gracias a la utilizacin de sus reservas internas alimenticias en un proceso que se conoce como respiracin endgena. Cuando la clula agota sus reservas nutricionales se autooxida o consume, en un proceso llamado de autolisis o autodestruccin. En reactores de flujo continuo , tanto el crecimiento como el afluente y efluente son permanentes por lo cual la situacin es muy diferente, por que el cultivo no es puro, cada organismo tendr su propio crecimiento que depende de muchos factores ambientales.
Sin embargo, en reactores de flujo continuo y abiertos se ha logrado mantener las clulas en la fase de crecimiento logartmico, por periodos prolongados y con tasas menores que la tasa mxima de crecimiento.
CINTICA DEL CRECIMIENTO MICROBIALFuente de Energa
Fuente de CarbnQu se necesita? Aceptador de electrones Medio adecuado
AUMENTO DE BIOMASA MICROBIAL
El aumento de biomasa se calcula:Donde:
rg = m X
dX = mX dt
dX/dt: tasa de crecimiento de biomasa [mg/L.d]
rg: tasa de crecimiento microbial [mg/L.d] : tasa especifica de crecimiento [d-1] X:concentracin de microorganismos biomasa presente [mg/L]
o
Se deduce la tasa de crecimiento especfico [d-1]
m=
(dX / dt) X
De
dX = mX dt
Donde: dX/dt: tasa de crecimiento de biomasa [mg/L.d] : tasa especifica de crecimiento [d-1] X:concentracin de microorganismos o biomasa presente [mg/L]
ln X = ln X0 + mt
Donde: X: concentracin de biomasa para el tiempo t X0: concentracin de biomasa para t=0
X = X0 e
mt
Ley de crecimiento exponencial o logartmico
Ecuacin de Monod
m = mm
S Ks + S
Donde: : tasa de crecimiento especifico [d-1] m: tasa mxima especfica de crecimiento [d-1] S: concentracin de sustrato limitante del crecimiento [mg/L], se puede cuantificar en trminos de DBO, DQO, COT etc. Ks: constante de saturacin igual a la concentracin del sustrato, S, para una tasa especfica de crecimiento =0,5m mg/L.
S > Ks
S < Ks
S = Ks
dX = mm X dt
dX = constante dt
m=
mm2
dX mm X = dt 2
Representacin grfica Modelo de Monod
Si todo el alimento fuera convertido en biomasa
dX m XS = rg = m dt Ks + S
Utilizacin del Sustrato
dX dS = -Y dt dtdX = -Yrs dtDonde: dx/dt: tasa de cambio de concentracin de biomasa [mg/L.d] rg: tasa de crecimiento microbial [mg/L.d] rs: dS/dt: tasa de utilizacin del sustrato[mg/L.d] Y: coeficiente de produccin de crecimiento en la fase logartmica, masa microbial producida / masa de sustrato removido.
rg = -Yrsrg Y =rs
Y=
dX dS
De
dX m XS = rg = m dt Ks + S
rs
m XSY (K s S )
Tasa especfica de crecimiento Mtodo Metcalf y Eddy
mm = kY
Donde: Y: coeficiente de produccin de crecimiento k: tasa mxima de remocin de sustrato por unidad de masa de microorganismos o tasa mxima especfica de utilizacin de sustrato [d-1]
De rs
m XSY (K s S )
rs =
dS kXS =dt Ks + S
Procesos Aerbicos, Y=0,5
Procesos Anaerbicos, Y= 0,08 0,2
Tasa de crecimiento netoMetabolismo EndgenoDonde: rd: declinacin endgena [mg/L.d] kd: coeficiente de respiracin endgena o tasa especfica de declinacin endgena [d-1] X: concentracin de biomasa [mg/L]
rd = -kd X
Tasa de concentracin de biomasa o tasa neta de crecimiento Tasa neta de crecimiento = Crecimiento - Declinacin
Tasa neta de crecimiento = Crecimiento - Declinacin
rd = -kd XdX m XS = rg = m dt Ks + S
rgt =
mm XSKs + S
- kd X
Donde: rtg: tasa neta de crecimiento bacterial [mg/L.d]
rs
m XSY (K s S )
rgt =
mm XSKs + S
- kd X
rgt = -Yrg - kd X
Tasa especfica neta de crecimiento Mtodo VAN UDEN
m =t
mm SKs + S
- kd
S m = mm Ks + S
mt =
mm SKs + S
- kd
m t = m - kd
Efectos de respiracin endgena sobre el crecimiento microbial neto
r tg= -Yobs rs
rs
m XSY (K s S )
r tg= -Yobs rs r g= -Yobs rst
rgt =
Yobsmm XS Y (K s + S)rgt = Yobs kXS Ks + S
rs =
dS kXS =dt Ks + S
Efecto de la TemperaturaDonde: rT: tasa de reaccin a la temperatura T r20: tasa de reaccin a 20C *: coeficiente de actividad a la temperatura T: temperatura en C
rT = r20QT-20
* lodos activados: 1,04 / lagunas aireadas: 1,08 / filtros percoladores: 1,035
Consideraciones sobre el estado permanente de un reactor biolgico
Ambiente Constante
dX = rg = m X = DX dt
Donde: dX/dt = rg: tasa de crecimiento de la biomasa [mg/L.d] : tasa especfica de crecimiento [d-1] X: concentracin de biomasa [mg/L] D: tasa de dilucin [d-1]
D=
1 Q = Q V
Donde: D: tasa de dilucin [d-1] : tiempo de retencin [d] Q: caudal efluente [m3/d] V: volumen del reactor [m3]
INCREMENTO = CRECIMIENTO EXTRACCIN
0 = m X - DX
m=DUso de Recirculacin en PTAR
dX = m X - DX = 0 dt
m X = DX
D>
dX = m X - DX < 0 dt
D 0 dt
D>a)
dX = m X - DX < 0 dt
D 0 dt
No hay estado permanente, la biomasa disminuye en el reactor. b) La concentracin de sustrato aumenta porque no se utiliza completamente, el tiempo de retencin es corto. c) Los organismos son lavados y perdidos en el efluente. d) Para < m la tasa de crecimiento especifico aumentar a un nuevo estado permanente correspondiente al mayor nivel de sustrato y a la concentracin inferior de los microorganismos existentes. e) Cuando D > m todos los organismos son extrados del reactor.
a) El tiempo de retencin ha aumentado. b) La concentracin de sustrato disminuye porque los organismos tienen ms tiempo para utilizarlo, la biomasa aumenta. c) Como es funcin de S, el valor de disminuye y se establece un nuevo estado permanente.
EL SISTEMA SAPRBICOEs un mtodo biodegradable. ecolgico que mide la materia orgnica
Este mtodo pretende detectar y diagnosticar el grado de polucin de un cuerpo de agua. En trminos muy simples, el efecto de la polucin consiste en alterar el equilibrio entre la vida animal y vegetal, y desordenar los componentes ambientales del mismo. KOLKWITZ y MARSSON establecieron las bases del mtodo ecolgico definiendo tres zonas de polucin orgnica de acuerdo a las especies de organismos presentes en diferentes puntos a lo largo del curso del rio.
ZONA 1 : POLISAPRBICAZona de polucin fuerte, oxigeno disuelto bajo o nulo, formacin de sulfuros, bacterias en abundancia, pocas especies animales y alto contenido de materia orgnica.
ZONA 2 : MESOSAPRBICA DEBILOxigeno disuelto en aumento, contenido orgnico ms simple; bacterias, hongos, algunas especies animales y pocas algas en la superficie; en el fondo se presenta mineralizacin con presencia de algas y plantas.
ZONA 3 : OLIGOSAPRBICALa mineralizacin es completa, concentracin de oxigeno disuelto normal, amplia variedad de animales y plantas.
SLADECEK (1965) presenta su versin del sistema saprbico en donde divide las aguas en cuatro grupos principales: Catarbicas Limnosaprbicas Eusaprbicas Transsaprbicas
y en 13 zonas o grados de clasificacin para las aguas y aguas residuales o residuos: 1 agua no saprbica 5 aguas saprbicas 4 aguas residuales saprbicas 3 aguas residuales o residuos no saprbicas
SISTEMA SAPRBICO
Catarbicas Limnosaprbicas Eusaprbicas Transsaprbicas
CLASIFICACIN SAPRBICA POR SLDECEK
CRITERIOS PARA CLASIFICACIN DE LA ZONA SAPRBICA SEGN SLDECECK
CLASIFICACIN SAPRBICA DE CALIDAD DEL AGUA DEL ENAEn el estudio nacional de aguas ENA, se adopta el ndice saprbico de PANTLE y BUCK con los criterios de SLDECEK, debido a la necesidad de adoptar una escala de clasificacin de calidad que permita discriminar las aguas segn sus condiciones. El ndice saprbico segn la frmula de PANTLE y BUCK es:
Donde, s: ndice saprbico individual de cada especie presente, el cual puede obtenerse de las tablas de Liebmann, Breitig o Sldecek. h: abundancia o frecuencia relativa (h) de cada especie.
La frecuencia relativa de cada especie se clasifica as: Muy rara Rara Moderada Frecuente Muy frecuente Abundante 1 2 2 5 7 9
Como es evidente, el sistema de clasificacin anterior requiere el conocimiento de la estructura de la comunidad saprbica para cuantificar el ndice saprbico (S) y asignar la clase saprbica correspondiente. Por otra parte, una evaluacin ms certera de las propiedades de un agua debe siempre incluir la combinacin de anlisis biolgicos, fsicos, qumicos y bioqumicos.
Aunque las relaciones entre los mltiples parmetros de calidad de agua usados no se conocen con claridad, se formulan adems del ndice saprbico, otros criterios de calificacin que permiten, alternativamente hacer la clasificacin propuesta.
ESCALA DE CLASIFICACIN SAPRBICA DE AGUAS
PARAMETROS Y CRITERIOS PARA EL SISTEMA DE CLASIFICACIN SAPRBICO
CLASIFICACIN SAPRBICA RO BOGOT
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