GUÍA PRACTICA DEBIOTECNOLOGÍA Y BIOPROCESOS

PRACTICA No 5BIODEGRADABILIDAD ANAEROBIA DE UN RESIDUO

PRESENTADO POR:Jesica Fula Sandoval

Camilo Enrique Molano ZambranoGuisell Nathalia Muñoz MartinezSandra Viviana Vargas Otalora

Bogotá, D.C.,2014

INFORME 5

PRACTICA No 5BIODEGRADABILIDAD ANAEROBIA DE UN RESIDUO

OBJETIVOS

Evaluar el potencial de degradación de la materia contaminante en un agua residual hasta metano y dióxido de carbono.

Determinar la velocidad de reacción (tasa de biodegradabilidad de un residuo)

Establecer el efecto de la carga orgánica en el proceso.

MARCO TEORICOPRELABORATORIO

Diga de la digestión anaerobia :o Microbiología de la digestión anaerobia (tipo de bacterias existentes)

En la transformación de materia orgánica compleja hasta metano interviene un consorcio de microorganismos que forman una cadena trófica compleja y equilibrada. El proceso global es:

Materia orgánica + nutrientes + microorganismos →

CH4 + CO2 + NH3 + H2S + mat. orgánica (ef. <100%) + nuevos microorganismos (Y≤10%)

Hay cuatro categorías de bacterias involucradas en la transformación de substratos orgánicos complejos en CH4 y CO2. Estos grupos operan de manera consecutiva y sinérgica.

Grupo I: bacterias hidrolíticas.

Consorcios de bacterias anaerobias que hidrolizan la materia orgánica compleja (proteínas, carbohidratos, lípidos) hasta monómeros solubles (aminoácidos, glucosa, ác. grasos, glicerol), los cuales son utilizados por el siguiente grupo. Estas rupturas están catalizadas por enzimas extracelulares, tales como celulasas, proteasas y lipasas. Esta fase es relativamente lenta y puede ser la etapa limitante de la D.A. Vg. Clostridium, Staphyloccocus y Bacteroides.

Grupo II: bacterias fermentativas y β-oxidación.

Convierten los monómeros anteriores en ác. orgánicos (Vg. C1, C2, C3, C4, láctico, succínico, etc.), alcoholes y cetonas (metanol, etanol, glicerol, acetona), CO2 e H2. El acetato es el producto principal. Vg. Clostridium, bacterias del ácido láctico.

Grupo III: bacterias acetogénicas.

Convierten los AG y alcoholes en acetato, CO2 e H2, que son utilizados por las metanógenas. Este grupo (Syntrophobacter wolinii, Syntrophomonas wolfei) requiere presiones parciales de H2 bajas para convertir los AGV. A presiones relativamente altas la formación de acetato se reduce y aparecen C3, C4 y etanol el lugar de CH4. Existe una estrecha relación simbiótica entre acetógenas y metanógenas (o sulfato-reductoras), puesto que estas últimas ayudan a reducir la presión parcial de H2 requerida por las acetogénicas.

Grupo IV: metanobacterias.

Las arqueobacterias metanogénicas son las más sensibles al O2 de los microorganismos conocidos. No pueden utilizar productos orgánicos complejos y su metabolismo energético está dirigido hacia la producción de CH4 como único producto final. Crecen lentamente, con tiempos de generación desde 3 días a 35°C hasta 50 días a 10°C. Se subdividen en dos categorías:

- metanógenas hidrogenotróficas (1/3 del CH4). Vg. Methanobacterium, Methanospirillum.

- metanógenas acetotróficas o acetoclásticas (2/3 del CH4). Methanosarcina, Methanosaeta.

Bacterias sulfatorreductoras

Compiten con las metanógenas por sus sustratos, haciéndolas sus características cinéticas más eficientes. Vg. Desulfovibrio. Esto causa menor rendimiento en CH4 y producción de H2S (corrosivo, tóxico).

o Aplicabilidad

Digestión anaerobia ha sido utilizada ampliamente para estabilizar lodos provenientes de plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas, y en una menor proporción, pero con una tendencia de aumento significativo en aguas residuales proveniente de industrias de alimentos.

Dentro de las aplicaciones se tiene:

Sulfato Reducción. El proceso durante el cual el sulfato se reduce a sulfuro de hidrógeno, mediante la participación de las bacterias sulfo reductoras (BSR) es un proceso anaerobio de gran importancia en el tratamiento de aguas residuales, se muestra la reacciónen la siguiente grafica

Durante la degradación anaerobia de la materia orgánica, puede ocurrir que las bacterias utilicen el sulfato como aceptor de electrones, aunque pueden utilizar también compuestos como el tiosulfato, el tetrationato y el azufre elemental. Los donadores de electrones más utilizados son H2, lactato, piruvato entre otros. En la siguiente figura se muestran las diferentes etapas de la reducción.

En general, durante la degradación anaerobia de la materia orgánica, la sulfato reducción puede interferir con la metanogénesis, generando problemas como:

1. competencia entre las Bacterias sulfatoreductoras y las metanogénicas por sustratos comunes y la consecuente disminución en la producción de metano;

2. inhibición de varios grupos bacterianos por la presencia de H2S;

3. toxicidad generada por el H2S, malos olores y corrosión.A pesar de los problemas que ocasiona la sulfato reducción al

interior de los reactores anaerobios, también presenta algunas ventajas:

1. contribuye a mantener un bajo potencial de óxido-reducción en el sistema;

2. constituye un método biotecnológico para la remoción de sulfato

3. los complejos Metal-S2- tienen baja solubilidad, propiedad que puede ser utilizada para la precipitación de metales pesados como Co, Ni, Pb, y Zn.

o Desnitrificación. Es un proceso anóxico en el cual los nitratos son reducidos a nitrógeno gaseoso.

Las desnitrificación es utilizada en postratamientos de aguas residuales para remover nutrientes.

Bio Remediación. La digestión anaerobia puede ser utilizada para la biodegradación o biotransformación de contaminantes tóxicos. Comunidades de microorganismos en ambientes anaerobios, puede causar la oxidación de contaminantes a productos estables (CO2) o pueden causar la biotransformación de contaminantes a sustancias menos tóxicas. La bio remediación anaerobia puede ser utilizada en el tratamiento de efluentes industriales que contienen sustancias tóxicas, como es el caso de la industria del plástico, cuyas aguas residuales contienen altas concentraciones de terepthalato:

Qué es un biorreactor ?.Un biorreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. En algunos casos, un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede ser aeróbico o anaeróbio. Estos biorreactores son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño desde algunos mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados en acero inoxidable.Un biorreactor puede ser también un dispositivo o sistema empleado para hacer crecer células o tejidos en operaciones de cultivo celular. Estos dispositivos se encuentran en desarrollo para su uso en ingeniería de tejidos.En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxígeno, etcétera) al organismo o sustancia química que se cultiva. En función de los flujos de entrada y salida, la operación de un biorreactor puede ser de tres modos distintos:

Lote (batch) Lote alimentado (fed-batch) Continuo o quimiostato

o Tipos de biorreactores

El biorreactor ideal debe:

Mantener las células uniformemente distribuidas en el volumen de cultivo.

Mantener constante y homogénea la temperatura. Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.

Mantener el cultivo puro. Mantener un ambiente aséptico. Maximizar el rendimiento y la producción. Minimizar el gasto y los costos de producción. Reducir al máximo el tiempo del proceso

Clasificación de Biorreactores

1- Por su forma y tipo de agitacióna. Agitación mécanica: utilizan equipos mecánicosb. Agitación néumatica: utilizan gas a presión

2- De acuerdo a las fases: homogeneos o heterogéneosa. Biorreactores homogeneos: las células (o enzimas)

permanecen en suspensión en el medio de cultivo durante todo el proceso.

b. Biorreactores heterogeneos: las células (o enzimas) están unidas a una fase solida en contacto eco el medio de cultivo.

3- Por el tipo de operación (continuo, semicontinuo, discontinuo)a. Proceso continuosb. Procesos en batch o discontinuosc. Procesos en batch alimentado o semicontinuos

4- Biorreactores especiales: de estado sólido y fotobiorreactores

Qué es un reactor UASB ?

Los reactores UASB (del inglés Upflow Anaerobic Sludge Blanket), también conocido como RAFA (Reactor anaerobio de flujo ascendente) son un tipo de biorreactor tubular que operan en régimen continuo y en flujo ascendente, es decir, el afluente entra por la parte inferior del reactor, atraviesa todo el perfil longitudinal, y sale por la parte superior. Son reactores anaerobios en los que los microorganismos se agrupan formando biogránulos.

En los sistemas anaerobios de flujo ascendente, y bajo ciertas condiciones, se puede llegar a observar que las bacterias pueden llegar a agregarse de forma natural formando flóculos y gránulos. Estos densos agregados poseen unas buenas cualidades de sedimentación y no son susceptibles al lavado del sistema bajo condiciones prácticas del reactor. La retención de fango activo, ya sea en forma granular o floculenta, hace posible la realización de un buen tratamiento incluso a altas tasas de cargas orgánicas. La turbulencia natural causada por el propio caudal del influente y de la producción de biogás provoca el buen contacto entre agua residual y fango biológico en el sistema UASB. En los sistemas UASB pueden aplicarse mayores cargas orgánicas que en los procesos aerobios. Además, se requiere un menor volumen de reacción y de espacio, y al mismo tiempo, se produce una gran cantidad de biogás, y por tanto de energía.

El proceso UASB se puede aplicar a una amplia variedad de aguas residuales industriales. Al igual que en otros tipos de tratamiento de aguas residuales, en los UASB también son necesarias unas etapas previas de adecuación del influente antes de ingresarlas al reactor, como por ejemplo, eliminación de aceites y grasas, desarenado, corrección de pH,...Tras este tipo de pretratamientos, el UASB puede convertir el 70-95% de la materia orgánica biodegradable en una corriente de biogas valorizable. De ahí que sean posibles mayores eficiencias mediante el acople de pre- y/o postratamientos adecuados que aumente el tiempo medio de residencia celular, la composición y la resistencia frente a tóxicos del fango.

La tecnología de alta carga se basa en el crecimiento del fango granular y en el separador de tres fases (biogás-líquido-sólido), ha tenido un gran éxito comercial con un gran número de instalaciones en el mundo.

La industria alimentaria mundial es un usuario activo de esta tecnología de tratamiento anaerobio. Aunque también se ha implantado en industrias como la cervecera, destilería, plantas de procesado de la patata, la industria del papel y la celulosa, industria textil, química y farmacéutica.

Qué es un lodo anaerobio y cómo se puede caracterizar?

Son lodos en procesos de estabilización, se basa en la degradación de la materia orgánica, en ausencia de oxígeno molecular. Es uno de los procesos más antiguos.La materia orgánica contenida en la mezcla de lodos primarios y secundarios, se convierte, principalmente, en metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2).El proceso se desarrolla en un reactor completamente cerrado, donde se introducen los lodos, ya sea en forma continua o intermitente, permaneciendo dentro del reactor por tiempos considerables. El lodo estabilizado, extraído del reactor tiene una concentración reducida de materia orgánica y agentes patógenos vivos.

Aplicabilidad de la digestión anaerobiao Tratamiento de aguas residualeso Tratamiento de aguas servidas

Qué determinaciones fisico-químicas se recomienda hacerle a las aguas residuales y/o efluentes industriales antes de tratarlos ?

Estas pruebas pueden ser:

Determinacion de solidos Color, olor pH Oxígeno disuelto Aceite y/o grasas presentes Sólidos suspendidos Metales presentes Alcalinidad

PROCEDIMIENTO

RESULTADOS

ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

La biodegradabilidad anaerobia, cuantifica la fracción máxima de materia orgánica que podrá ser transformada por digestión anaerobia durante un determinado periodo de tiempo y en determinadas condiciones operacionales, en comparación con la fracción teórica estequiométricamente convertida (Field, 1994; Rozzi et ál., 2004, citados por Amaral et ál., 2008).

Los ensayos de biodegradabilidad anaerobia se basan en el seguimiento de la producción acumulada de biogás, particularmente el metano, o del acompañamiento de la reducción en la concentración del sustrato. La mayoría de los ensayos emplea métodos volumétricos o manométricos para el monitoreo de la producción de metano y cromatografía para determinar la composición del biogás (Amaral et ál., 2008).

Dentro de la practica realizada se evaluó la formación de productos gaseosos mediante medición volumétrica (desplazamiento del líquido) y medición manométrica (pH) obteniendo una resultados positivos ya que hubo un incremento de pH, pero en cambio no hubo desplazamiento del líquido, resultando en una AME (+). La reacción involucrada fue:

CH3COOH CO2 + CH4↑

La tecnología de tratamiento anaeróbica está enfocada a la conversión de la materia orgánica biodegradable en biogas. En general pueden distinguirse cuatro etapas diferentes en todo el proceso: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. Efluentes con distintas características pueden ser introducidos en diferentes etapas de ese mecanismo de degradación. Si el efluente de interés está compuesto de material orgánico particulado, éste debe ser primero solubilizado por acción de enzimas exocelulares producidas y excretadas por bacterias hidrolíticas. Esta reacción biológica de solubilización del material particulado es relativamente lenta. No obstante, si el efluente tiene muchos sólidos suspendidos, el tratamiento anaeróbico puede ser logrado permitiendo mayores períodos de contacto entre el sustrato y el consorcio de microorganismos anaeróbicos para permitir que la reacción de solubilización sea efectiva. Por el contrario, la cinética de reacción de las bacterias acidogénicas y metanogénicas es relativamente rápida.

Durante nuestro proceso de digestión anaerobia y comparado con el articulo Influencia de la incorporación de lixiviados sobre la biodegradabilidad anaerobia de aguas residuales domésticas, se desarrolló el mismo procedimiento de inoculación y montaje; y en cuanto al seguimiento y control se variaron algunos parámetros. En el artículo referido la biodegradabilidad anaerobia se determinó mediante el monitoreo durante 30 días de la producción acumulada de metano, el consumo diario del sustrato (DQO) y la formación de productos intermedios (composición de AGV) dos veces por semana.La producción de metano se determinó por el método volumétrico a través del sistema de desplazamiento de líquido (NaOH 3%) siguiendo la metodología descrita por Field (1994). En comparación con la práctica planteada se manejaron tan solo unas mediciones básicas como lo fueron el pH y el desplazamiento o no del líquido al cabo de 8 días de haber sido inoculado, por lo que nos dimos cuenta lo eficaz que sería este procedimiento al someterlo a condiciones anaerobias facilitando la biodegradabilidad de un residuo.

Para el caso del artículo en particular lo que se buscaba era presentar un estudio de la influencia de la incorporación de lixiviados generados en un relleno sanitario en el que se disponen residuos sólidos residenciales sobre la biodegradabilidad anaerobia de aguas residuales típicamente domésticas.Los resultados obtenidos indicaron que en las condiciones en que fue realizado el ensayo y para el tipo de lixiviado evaluado, la proporción máxima en volumen que puede ser degradada conjuntamente con agua residual doméstica por vía

anaerobia sin que cause efectos inhibitorios significativos fue del 10%. Proporciones de lixiviados superiores presentaron comportamiento similar al del lixiviado, indicando potenciales efectos inhibitorios en el proceso anaerobio

Me falta hacer esto: para eso necesito los resultados q ponga natha

y se realizará un análisis gráfico de los resultados obtenidos relacionando para : - El ensayo de degradabilidad del sustrato : metano acumulado vs tiempo (horas). - Ensayo de toxicidad : metano acumulado vs concentración del metal en mg/L

% de inhibición vs concentración del metal en mg/L

POST- LABORATORIO

1. Cuáles son las ventajas del tratamiento biológico anaerobio frente a los sistemas aerobios de tratamiento

Cargas orgánicas aplicables muy altas Se produce energía, en lugar de consumirse. Baja producción de lodos. Requiere poco espacio Requiere poco equipo mecánico Más barata que el tratamiento aeróbico. Aplicable a escala muy pequeña o muy grande. Baja emisión de olores, aerosoles y patógenos. No se requiere consumo de oxígeno, ahorrando la energía de

bombeo de aire. Se generan cantidades de lodo muy inferiores a las producidas en el

proceso aerobio, y en un mayor grado de mineralización, concentración y fácil deshumidificación.

2. Qué interferencias pueden presentar estos sistemas (anaerobios)

Las velocidades de crecimiento son pequeñas y que, dado el bajo rendimiento celular, la conversión de sustrato en masa celular es también pequeña por lo que la velocidad de generación microbiana es lenta. Esto representa una de las ventajas del proceso porque de esta manera la producción de lodo es baja, pero por otra parte supone tiempos de puesta en marcha más largos para conseguir la suficiente cantidad de biomasa, cuando no se inocula el reactor. Además es necesario mantener una elevada concentración de biomasa debido a la relativamente baja actividad específica máxima que presenta una población anaerobia, 0,5-2,5 g DQO/g SSV.d, sobre todo si se quiere operar a elevadas velocidades de carga orgánica.La puesta en marcha de una planta UASB a temperatura superior a 20ºC puede llevarse a cabo a un TRH de 5 h dentro de un periodo de 6 a 12 semanas, sin

necesidad de inóculo. Si el efluente domestico es muy fresco (poco séptico, contendrá muy pocos microorganismos anaerobios), la puesta en marcha es más lenta, resultando conveniente interrumpir la alimentación durante algunos días, lo que favorece el desarrollo del lodo metanogénico.Durante la degradación anaerobia de la materia orgánica, la sulfato reducción puede interferir con la metanogenésis, generando problemas como:

Competencia entre las BSR y las BM, por sustratos comunes y la consecuente disminución en la producción de metano.

Inhibición de varios grupos bacterianos por la presencia de H2S. Toxicidad generada por el H2S, malos olores y corrosión.

3. Cómo afectan los metales pesados el sistema de tratamiento biológico anaerobio

Los metales pesados adsorbidos  sobre  la materia orgánica  en forma de: iones solubles,  complejos orgánicos o precipitados que pueden interferir los grupos tróficos bacterianos con un consecuente bloqueo o muerte de los mismos. 

4. Por qué es de relevancia hacer ensayos de toxicidad para estos sistemas

La evaluación de la toxicidad anaerobia permite determinar la magnitud y tipo de inhibición causada sobre los microorganismos encargados de la transformación final a metano y se determina comparando la Actividad Metanogénica Específica (AME) del lodo control alimentado únicamente con sustrato, con la AME del lodo alimentado con el mismo sustrato más el compuesto tóxico. En el tratamiento anaerobio, la presencia de compuestos orgánicos e inorgánicos potencialmente tóxicos es de gran importancia, principalmente la de aquellos que inhiben los microorganismos encargados de la transformación final a metano, los cuales pueden estar presentes en el agua residual o ser producidos como metabolitos intermediarios de la degradación incompleta del sustrato. Los inhibidores comunes incluyen compuestos orgánicos, sulfuros, metales pesados, amonio (NH4+) y amoníaco (NH3), siendo este último el principal causante de inhibición en el tratamiento anaerobio de lixiviados puesto que es uno de los potenciales compuestos inhibitorios en mayor concentración y por ser fácilmente permeable a través de la membrana

5. Interprete en forma esquemática el bioproceso (reacciones que ocurren).

cMateria orgánica

Microorganismos anaerobios

CH4 + CO2 + Microorganismos + Biogas

BIBLIOGRAFIA

DÍAZ-BÁEZ, M.; Espitia, S. y Molina, F. (2002) Digestión Anaerobia una Aproximación a la Tecnología. UNIBIBLIOS. Bogotá, Colombia

W.A. Tejerina, C.S. Carmona, M.J. Lasci, L. Seghezzo y C.M. Cuevas. BIODEGRADABILIDAD ANAERÓBICA DE EFLUENTES CERVECEROS Universidad Nacional de Salta, Consejo de Investigación-INENCO, Laboratorio de Estudios Ambientales, A4402FDC Salta. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente. Vol. 8, Nº 2, 2004. Impreso en la Argentina. ISSN 0329-5184

Luz Edith Barba, Patricia Torres, Jenny Alexandra Rodríguez Victoria, Luís Fernando Marmolejo y Carlos Alexander Pizarro. INFLUENCIA DE LA INCORPORACIÓN DE LIXIVIADOS SOBRE LA BIODEGRADABILIDAD ANAEROBIA DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS. Marzo 1 de 2010