parámetros de retención

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Del4al7deabrildel2006enlaciudaddeMoreliaMich.Mxico.

COLEGIO MEXICANO DE INGENIEROS BIOQUMICOS, A. C.

Mar del Norte No. 5, Col. San lvaro Azcapotzalco C.P. 02090, Mxico, D. F. Tel. y Fax: (01 55) 5623 3088 e-mail: [email protected] y [email protected]

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN BIORREACTOR DE LECHO FIJO CON UN SISTEMA AIRLIFT PARA LA CIRCULACIN Y AIREACIN DEL LQUIDO

Adrin Gmez de Jess1, Cleotilde Jurez Ramrez2, Nora Ruiz Ordaz3 y Juvencio

Galndez Mayer3. Escuela Nacional de Ciencias Biolgicas del Instituto Politcnico

Nacional. Prol. Carpio y Plan de Ayala S/N. Col. Plutarco Elas Calles. Del. Miguel

Hidalgo, Mxico, D. F. C. P. 11340. Fax: (5) 729-6210.

[email protected] 1Becario CONACyT, PIFI-IPN; 2Becaria COFAA, EDD; 3 Becarios COFAA, EDD y SNI

Palabras clave: diseo, biorreactor, airlift.

INTRODUCCIN En los procesos aerbicos de biodepuracin de agua, de todos los componentes

necesarios en el medio, es el oxgeno el menos hidrosoluble y con frecuencia su

concentracin es un factor limitante del crecimiento y de la actividad celular deseada.

La disyuntiva que la presencia del oxgeno plantea, como fundamental para el

bioproceso y limitante del mismo, hace que la velocidad de transferencia y la retencin

del elemento sean factores clave del diseo de reactores aerbicos.

Otra operacin a cuidar en el diseo de biorreactores aerbicos es la distribucin

constante y continua del oxgeno, y de los dems nutrientes, a todos los puntos del

biosistema. Para mantener ese patrn homogneo de distribucin de elementos en el

medio, es necesario que la velocidad de circulacin del lquido y las velocidades de

transferencia de masa sean altas. La economa del proceso mejorar en tanto menor

sea el consumo de energa para mantener la homogeneidad del cultivo (Galndez y

Ruiz, 1994).

En este trabajo se dise y construy un reactor de biopelcula, til para la depuracin

aerbica de agua contaminada con compuestos orgnicos recalcitrantes. La

configuracin propuesta para el reactor fue la de un lecho fijo que opere como

percolador y que tenga como sistema de aireacin y recirculacin del lquido un sistema

airlift de tubo concntrico de malla (net draft tube).






OBJETIVO Disear y construir un filtro percolador que tenga acoplado un sistema airlift para la

aireacin y recirculacin de lquido.

METODOLOGA Los reactores de biopelcula se pueden usar en situaciones donde la capacidad de

eliminacin, que se obtendra usando equipos con clulas en suspensin, estara

limitada por la concentracin de biomasa y por el tiempo de residencia. Tales seran los

casos de organismos de crecimiento muy lento (cuyo desarrollo en sistemas de clulas

libres requerira tiempos de residencia largos) o de corrientes muy diluidas (con las

cuales se podra alcanzar, apenas, una concentracin de biomasa muy baja si no

hubiera retencin de la misma). En estos casos, las biopelculas son una solucin

efectiva para retener convenientemente la biomasa dentro del reactor y mejorar as su

capacidad volumtrica de remocin (Nicolella y col., 2000). La eleccin del medio de

soporte es un aspecto crucial en el diseo de estos biorreactores (sean de lecho fijo,

expandido o fluido), pues el material debe poseer ciertas caractersticas: superficie

especfica alta, bajas cadas de presin, alta resistencia mecnica, carcter inerte, bajo

costo y, en ciertas ocasiones, elevada capacidad de retencin de agua, alta cantidad de

nutrientes (por si se requiere que el material aporte algunos de ellos a la microbiota) y

de microorganismos (a veces, por su propia naturaleza, el material puede contener su

propia carga microbiana). Consecuentemente, la naturaleza del medio de empaque

influir en la eficiencia de remocin del contaminante y en los costos de operacin y

mantenimiento (Grady y col., 1999; Winkler, 2000).

Inicialmente, el medio de soporte propuesto para este trabajo fue el carbn activado

granulado (CAG), al cual se le determinaron diversas propiedades: GRANULOMETRA DEL LECHO






Antes de empacar el reactor, el CAG se tamizar usando una malla con huecos cuadrangulares de 1.3 mm por lado. Despus de esto, con la ayuda de un vernier, se

determinar el tamao promedio de los granos que no atravesaron la malla, realizando

una medicin de 50 de ellos.

POROSIDAD

La porosidad del lecho se determinar siguiendo un mtodo propuesto por Devinny y

Hodge (1995):

porosidad =volumendehuecos

volumende lamuestra Con una probeta graduada se medirn 50 mL de material de empaque (seco), el cual se

pesar despus en una balanza analtica; enseguida a la muestra se le agregar agua

hasta su saturacin.

volumen de huecos = volumen del agua adicionada

DENSIDAD

Antes de empacar el reactor, con una probeta graduada se medir el volumen del

material y se obtendr su peso con una balanza analtica.

densidadlecho = masavolumen Si bien el empleo de biopelculas soslaya tanto las limitaciones causadas por una baja

concentracin de biomasa en el reactor como la toxicidad del sustrato, ya en los

biorreactores de alta capacidad se presenta un nuevo problema: la transferencia de

sustratos muy poco solubles, como el oxgeno, a la totalidad de la biopelcula se vuelve

el factor limitante del funcionamiento del equipo (Nicolella y col., 2000; Gavrilescu y

Macoveanu; 2000).

Las torres de contacto gas-lquido (reactores neumticos), donde la agitacin es debida

a la inyeccin de gas, son relativamente recientes y con su uso se han resuelto de

forma econmica algunos de los problemas que suelen presentarse en los tanques

agitados, particularmente la economa de aireacin. Ventajas como la disminucin en el

consumo de energa, la ausencia de partes internas mviles, los bajos esfuerzos de






corte en el medio y las facilidades de construccin y limpieza han impulsado la

investigacin y desarrollo de diseos que proporcionan aun mejores condiciones de

mezclado y de transferencia de masa (Snchez, 2000). Se ha demostrado que se

pueden mejorar los valores del tiempo de mezclado terminal en un reactor airlift, si se

usa un tubo central (riser) de malla: la interaccin de las corrientes parciales que se

forman a cualquier altura del riser origina una ptima circulacin a todo lo largo de la

altura del reactor (Fu y col. 2003).

En este trabajo, se propuso como sistema de aireacin y mezclado un airlift de tubo

central de malla. Antes de empacar el reactor, se realiz su caracterizacin

hidrodinmica y se determin su valor de KLa.

DETERMINACIN DEL TIEMPO DE MEZCLADO TERMINAL (tm)

Conteniendo el biorreactor lquido hasta su volumen de trabajo VL y operando con un gasto constante de aire Qg, el tm es el tiempo que transcurre desde la adicin instantnea (pulso) de una alcuota de cido (o de azul de metileno) hasta la

estabilizacin del pH del medio (o la homogeneizacin del color), medido con la ayuda

de un electrodo de pH (Prandit y Joshi, 1984).

DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE RETENCIN DE GAS (Eg)

Conteniendo el biorreactor lquido hasta un volumen VL, y sin suministro de aire, la columna de lquido tiene una altura HL. Una vez iniciada la aireacin del reactor a un gasto constante Qg, la mezcla gas-lquido alcanza una altura HGL. El Eg es la fraccin de gas retenida en la mezcla gas-lquido y se determina con la siguiente expresin

(Galndez y col., 2001):

xg = HGL - HLHGL DETERMINACIN DEL DIMETRO DE BURBUJA (dbms)

Operando el biorreactor con lquido hasta su volumen de trabajo VL y con un gasto constante de aire Qg, se toman fotografas de las burbujas inmersas en el seno del lquido y se amplan para facilitar la medicin de sus dimetros (Rask y col., 1997). Se






realizan al menos 50 mediciones diferentes. Con los valores obtenidos se calcula el

dimetro estadstico de las burbujas en las condiciones ensayadas. Dicho valor

estadstico es el denominado dimetro medio Sauter dbms y se calcula con la expresin:

dbm = ni dbi3ni dbi2

donde:

ni es el nmero de veces que se presenta un dimetro determinado dbi valor del dimetro de las burbujas DETERMINACIN DEL REA INTERFACIAL DE CONTACTO GAS-LQUIDO (a)

Con los valores de Eg y dbms se puede calcular, para las condiciones de trabajo ensayadas, el rea de contacto interfacial a usando la expresin de Calderbank (Snchez, 2000):

a' = 6xgdbms DETERMINACIN EXPERIMENTAL DEL kLa

Conteniendo el biorreactor lquido hasta su volumen de trabajo VL, se desoxigena el fluido saturndolo con nitrgeno gaseoso y a continuacin se suministra aire con un

gasto constante Qg y se van registrando las lecturas de oxgeno disuelto en funcin del tiempo cL(t) hasta su estabilizacin (Rask y col., 1997). Para este fin se emplea un electrodo polarogrfico y registrador de O2 con ajuste de temperatura. Una vez que se

conoce cL(t) y en la bibliografa se consulta la solubilidad mxima de oxgeno c* a la temperatura y presin de trabajo, se calcula el valor de kLa con ayuda de la siguiente expresin y su forma integrada definida: JdcLdtNTrans= kL a Hc* - cLL






RESULTADOS Y DISCUSIN La configuracin propuesta para el equipo es la de un reactor de biopelcula

(inmovilizada sobre un lecho fijo) que use un sistema airlift (de tubo concntrico de

malla) para la aireacin y recirculacin del medio (figura 1).

Figura 1. Configuracin propuesta del reactor prototipo

El biorreactor esta formado por tres secciones cilndricas: la base (con portas para

entrada y salida de medio y una entrada para aire), el cuerpo (cilindro liso de 19 cm de

dimetro interno) y la tapa (con tres portas para salida de aire o entradas de medio).

Todas ellas construidas con vidrio pyrex de 6 mm de espesor. Este equipo tiene un

volumen neto de 14 litros con un volumen de operacin mximo de 12. En el centro de

la base se encuentra montado el aspersor de aire, que es una placa de vidrio

sinterizado de poro medio. Esta pieza tiene la peculiaridad de ser desmontable.

Para mantener unidas y selladas las tres secciones del reactor, ste cuenta con dos

juegos de bridas. stas fueron manufacturadas en el taller mecnico de la ENCB por

los propios autores y estn elaboradas con duraluminio de 6 mm de espesor. Cada

brida es un dispositivo articulado de 4 semicrculos y cada uno tiene adherido, por el






lado que est en contacto con el reactor, caucho que permite su ajuste al reactor sin

peligro de maltratarlo.

Para empalmar las tres secciones del reactor, se elaboraron dos sellos o-ring de

caucho de 1.5 mm de espesor.

El ducto de ascenso, riser, est hecho de malla de acero inoxidable, de 25 hilos por

pulgada. Para que la malla mantenga su forma circular dentro del reactor, se us un

tubo de PVC perforado.

Para confinar convenientemente el material granulado de soporte en el downcomer, se

construyeron un par de placas perforadas de acrlico de 4 mm de espesor. Sobre la

placa del fondo, la que tendra encima todo el lecho, se coloc malla de acero

inoxidable.

Antes de empacar el lecho, se realiz la caracterizacin hidrodinmica del sistema airlift

y se determin su velocidad de transferencia de oxgeno. Para diferentes alturas del

lquido se determin su coeficiente de retencin de gas (Eg), dimetro de burbuja medio

(dbms), rea de contacto interfacial (a`), tiempo de mezclado terminal (tm) Para realizar

los ensayos de hidrodinmica, se utiliz una solucin de NaCl 0.25 N.

Inicialmente el material de empaque que se ensay fue el carbn activado granulado. Al

slido se le determin su densidad, porosidad, granulometra y volumen vaco, y para

cada tamao de lecho se determin su volumen y peso.

Los ensayos que se han realizado mostran resultados inconvenientes cuando se us el

CAG (el material se compacta en exceso impidiendo la circulacin del medio) y al

ensayar materiales menos convencionales, uno de ellos (la piedra de tezontle) mostr

buenos resultados en lo que se refiere a la hidrodinmica del reactor.

CONCLUSIONES Se construy un reactor airlift de tubo central de malla de acero.

Se realiz la caracterizacin hidrodinmica del sistema airlift.

Este sistema mostr ser un mecanismo eficiente de transferencia de oxgeno al medio.






Al empacar el lecho en el downcomer del sistema airlift, con materiales pequeos, como

el carbn activado granulado, se obstruy la circulacin del medio.

La circulacin del medio a travs del lecho mejor al usar materiales con grnulos ms

grandes.

Al empacar el lecho con piedra de tezontle se obtuvieron buenos resultados en la

cuanto a la circulacin del medio.

La configuracin propuesta no ha sido reportada para la eliminacin de compuestos

orgnicos recalcitrantes.

AGRADECIMIENTO Los participantes de este proyecto agradecen el apoyo de las instituciones pblicas

CONACyT e IPN.

BIBLIOGRAFA 1. Devinny, J. S. 1998. Clearing the air, biologically. Civil Engineering. pp 46-49

2. Fu, C., Wu, W. y Lu, S. (2003). Performance of airlift bioreactors with net draft

tube. Enz. Microb. Tech. vol (33): 332 342.

3. Galndez, J. M. y N. Ruiz. 1994. Bioingeniera. Fundamentos biocinticos para el

diseo de procesos fermentativos. Informes Tcnicos 21. IPN. Mxico. pp 88-98 4. Gavrilescu, M y M. Macoveanu. 2000. Bioprocess Engineering. 23: 95 106. 5. Grady, C. P., G. T. Daigger y H. C. Lim. 1999. Biological Wastewater Treatment.

2a ed. Marcel Dekker. USA. pp 673-710, 843-898

6. .Nicolella, C.,van Loosdrecht, M. y Heijnen, S. (2000). Particle-based biofilm

reactor technology. Tib. Tech. (18): 312 320.

7. Snchez, T. O. 2000. Diseo, construccin y evaluacin de un prototipo de

reactor airlift para procesos de volumen variable. Tesis de grado. ENCB-IPN.

8. Winkler, M. A. 2000. Tratamiento biolgico de aguas de desecho. Limusa.

Mxico. pp 162-179.

parámetros de retención

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