Procedimiento para la inoculación de biofiltros percoladores industriales.
Sector de la técnica
La presente invención se encuadra en los siguientes sectores técnicos:
B01D 53/84 Procedimientos biológicos.
B01D 53/34 Depuración química o biológica de gases residuales.
B01D 53/52 Sulfuro de hidrógeno.
Estado de la técnica
El control de las emisiones de compuestos volátiles orgánicos e inorgánicos y sus efectos medioambientales ha constituido, durante los últimos años, un objetivo prioritario para la mejora de la calidad ambiental. Este tipo de emisiones han sido tradicionalmente tratadas por métodos físico-químicos (Kohl AL, Nielsen R. 1997. Gas Purificaton. 5 ed. Ed Elsevier) , aunque actualmente existe una fuerte demanda por métodos que no generen efluentes secundarios y supongan menores costes de operación.
En este contexto, la biofiltración se presenta como una alternativa plausible para la eliminación de determinados compuestos volátiles presentes en los efluentes gaseosos (Devinny JS, Deshusses MA, Webster TS. 1999. Biofiltration for Air Pollution Control: Lewis Publishers) , debido a su menor coste de operación, alto rendimiento de degradación para un amplio rango de contaminantes atmosféricos y sencillez tecnológica.
El proceso de biofiltración consiste en hacer pasar aire contaminado a través de soportes porosos que contienen una población de microorganismos, de tal forma que el contaminante se absorbe en la película fluida formada entre el soporte y la fase acuosa, siendo en ésta donde se produce la conversión del compuesto contaminante en otro más sencillo y sin capacidad de contaminación (Kennes C, Thalasso F. 1998. Waste gas biotreatment technology. Journal of Chemical Technology & Biotechnology 72 (4) :303-319) .
Como en cualquier proceso biológico, el punto crítico para su utilización a nivel industrial está en la inmovilización de los microorganismos, así como en las etapas previas a la consecución de una población microbiana suficientemente activa como para reducir los tiempos de aclimatación de la biomasa a la nueva escala de operación.
En el caso que nos ocupa, y tratándose de la inmovilización de Acidithiobacillus thiooxidans y Thiobacillus thioparus en espuma de poliuretano, este problema ya está resuelto a nivel de laboratorio y, la presente invención propone un protocolo para su utilización a nivel industrial, así como para la reducción de los tiempos de aclimatación de estas especies bacterianas.
La espuma de poliuretano ha demostrado ser un buen soporte para la inmovilización de microorganismos empleados en la eliminación de sulfuro de hidrógeno (U.S. Pat. No. 7, 276, 366 B2 10/2007 Parker et al. Biological scrubber odor control system and method) .
Habitualmente, en la mayoría de los sistemas biológicos empleados en biofiltración se utiliza como inoculo un lodo activo (U.S. Pat. No. 7, 276, 366 B2 10/2007 Parker et al. Biological scrubber odor control system and method) procedente de la depuración de las aguas residuales. La inoculación con lodos activos proporciona tiempos de aclimatación muy altos tardándose semanas e incluso meses en alcanzar altos rendimientos de eliminación (Park SJ, Nam SI, Choi ES. 2001. Removal of odor emitted from composting facilities using a porous ceramic biofilter. Water Science and Technology 44 (9) :301-308; Cox HHJ, Deshusses MA. 2002. Co-treatment of H2S and toluene in a biotricklingfilter. Chemical Engineering Journal 87 (1) :101-110) .
Por tanto, la presente invención supone un avance en la reducción de los tiempos de funcionamiento óptimo de los biofiltros para la eliminación de sulfuro de hidrógeno presente en los gases industriales.
Explicación de la invención
La invención consiste en un procedimiento operativo a través del cual, mediante la aplicación de una técnica de inmovilización conjunta en espuma de poliuretano de dos cepas bacterianas puras, se consigue acelerar la puesta en marcha y funcionamiento óptimo de un biofiltro percolador empaquetado para la eliminación de sulfuro de hidrógeno, ya que se considera que la utilización de la biomasa presente en los lodos activos de la depuración de aguas residuales es un factor limitante de la velocidad global de eliminación de este compuesto.
El procedimiento operativo consta de tres etapas bien diferenciadas. Una primera para el crecimiento del inoculo, que constará de distintas etapas de escalamiento en función de que se esté creciendo el cultivo de Acidithiobacillus thiooxidans o Thiobacillus thioparus. Una segunda etapa de inoculación y puesta en marcha del biofiltro y, finalmente, una tercera de control y mantenimiento de la población microbiana en el biofiltro.
A continuación se realiza una descripción más detallada de cada una de las etapas de las que consta este procedimiento de inoculación:
1) Crecimiento del inoculo
Se emplean dos cultivos puros: Thiobacillus thioparus (ATCC 23645) y Acidithiobacillus thiooxidans (DMS 11478) . Se tratan de dos bacterias autótrofas capaces de emplear como fuente de energía el ácido sulfhídrico siendo la primera neutrofila y la segunda ácidofila. Los medios minerales empleados para el crecimiento fueron:
- ATCC Medio 290:S6 para Thiobacillus thioparus (ATCC 23645) . Composición en gramos por litro: Na2HPO4 1, 2 g, KH2PO4 1, 8 g, MgSO4 • 7H2O 0, 1 g, (NH4) 2SO4 0, 1 g, CaCl2 0, 03 g, FeCl3 0, 02 g, MnSO4 0, 02 g y Na2S2O3 10 g. pH ajustado a 7, 0 y esterilizado en autoclave (todos los compuestos menos el FeCl3 que se esteriliza por filtración mediante filtro de 0, 22 μm) .
- Medio 9K modificado libre de hierro con la adición de 10 g L- 1 de azufre elemental (Silverman MP, Lundgren DG. 1959. Studies on the chemoautotrophic iron bacterium Ferrobacillus ferrooxidans. I. An improved médium and a harvesting procedure for securing high cell yields. Journal of Bacteriology 77 (5) :642-647) para Acidithiobacillus thiooxidans. Composición en gramos por litro: (NH4) 2SO4 3, 0 g; MgSO4 0, 5 g; K2HPO4 0, 5 g; KCl 0, 1 g; Ca (NO3) 2 0, 01 g y S0 10 g. pH ajustado a 2, 5 y esterilizado en autoclave (todos los compuestos menos el azufre que se esteriliza en microondas mediante 3 pulsos de 30 segundos a máxima potencia.
El volumen necesario a crecer de cada microorganismo será entre el 5 y 20% del volumen total en recirculación del biofiltro de escurrimiento (recomendado 10% para Thiobacillus thioparus y 5% para Acidithiobacillus thiooxidans) . El procedimiento de crecimiento se realiza en tres etapas para la especie Thiobacillus thioparus (a, b y c) y en dos etapas para Acidithiobacillus thiooxidans (a y b) :
a. Crecimiento en Incubador agitador orbital (Matraces erlenmeyers de 250 ml) :
Se inocula 90 ml de medio específico con 10 ml de cultivo en fase exponencial de crecimiento en un matraz erlenmeyer de 250 ml, una vez alcanzado el máximo de crecimiento se inoculan 10 matraces erlenmeyers al igual que en la etapa anterior obteniendo un volumen total de 1 L por etapa. Todo el proceso se realiza con material y medios estériles (121ºC, 20 min.) controlando la temperatura y revolución de agitación a 30ºC y 150 r.p.m.
b. Crecimiento en biorreactor (Biorreactores de 5 L) :
Se emplean 2 biorreactores inoculando cada uno de ellos con 0, 5 L de la etapa anterior y 1, 5 L de medio específico, una vez alcanzado el máximo de crecimiento se añaden 1, 5 L sucesivamente hasta un volumen total de 5 L. Una vez finalizada esta etapa se dispone un volumen total de 10 L por etapa. El proceso se realiza con material y medios estériles (121ºC, 20 min.) a 150 r.p.m con aireación a 0, 1 vvm. La especie Acidithiobacillus thiooxidans se ha de crecer mediante este procedimiento realizando tantos ciclos como sean necesarios.
c. Crecimiento a gran escala:
Se emplea un depósito de 100 L de volumen total, inoculando 20 L de medio especifico con 10 L de la etapa anterior. Una vez alcanzado el máximo de crecimiento, se añaden 20 L de medio específico hasta obtener el volumen total necesario. En esta última etapa el medio no está esterilizado y solo se lleva a cabo para la especie Thiobacillus thioparus. El bioreactor se airea a 0, 1 vvm.
2) Inoculación y Puesta en marcha
Previo a la inoculación es necesario tener el biofiltro percolador empaquetado con el soporte y húmedo (una recirculación continua durante las 24 horas previas es suficiente) . Para proceder a la inoculación se ha de emplear cualquier sistema que permita añadir el cultivo crecido dentro del biofiltro percolador. La primera bacteria a inocular es la especie Thiobacillus thioparus. El pH inicial del biofiltro será próximo al pH del agua, una vez alcanzado un pH de 4, 0 debido a la acidificación del sistema se procederá a inocular el siguiente microorganismo, poniendo en marchar el sistema de control de pH para evitar valores de pH inferiores a 2, 0 (recomendado 4, 0) .
3) Control y mantenimiento
Para asegurar el correcto funcionamiento del sistema es necesario disponer de un sistema de control de pH (superior a 2, 0) y añadir semanalmente los micronutrientes necesarios: 0, 25 L por cada 2000 L de agua de recirculación con la siguiente composición en gramos por litro: MgSO4 7H2O 50 g, (NH4) 2SO4 50 g, MnSO4 H2O 11 g y FeCl3 16, 5 g. Igualmente, es importante controlar los niveles de sulfato en el medio de recirculación por lo que se programaran descargas periódicas con carga de agua con los micronutrientes para mantener la concentración de sulfato por debajo de los 50 g L- 1 (recomendado 30 g L- 1) .
Cuando un biofiltro percolador se somete a este tipo de procedimiento de inoculación, se obtienen las siguientes ventajas desde el punto de vista de su diseño y de operación del proceso de biofiltración:
a) Se consigue una inmovilización conjunta de ambas especies microbianas, mediante la formulación de un medio mixto que permite el crecimiento de ambas cepas.
b) A través del crecimiento controlado del inoculo, se logra reducir el tiempo de aclimatación de la población microbiana de semanas (e incluso meses) , típico del uso de lodos activos de depuración de aguas, a un período no superior a 48 horas.
c) Igualmente, al producirse una reducción del tiempo de latencia de los microorganismos, tiene lugar un aumento del rendimiento de eliminación respecto al uso de microorganismos procedentes de lodos activos. De esta forma, se obtienen rendimientos superiores al 98%, transcurrida las primeras 48 horas de operación del biofiltro.
d) Debido a la inoculación conjunta de dos especies bacterianas con distinto comportamiento frente al pH, otra ventaja importante del procedimiento operativo es el alto rango de pH en el cual el sistema es eficiente para la eliminación. De esta forma, el sistema es efectiva desde pH 0, 5 hasta valores cercanos a la neutralidad.
e) Esta reducción del tiempo de latencia y aumento del rendimiento de eliminación lleva asociada varias ventajas:
i. Los biofiltros industriales actualmente operativos podrían trabajar con mayores velocidades de carga alimentadas al sistema, lo cual conlleva beneficios económicos importantes al incrementarse la capacidad de tratamiento y/o gestión de las instalaciones. ii. Por otro lado, en instalaciones de nueva construcción, podría reducirse considerablemente los costes de inmovilizado derivados del tamaño de los biofiltros, ya que para una capacidad de tratamiento determinada, las dimensiones necesarias para el biofiltro son inferiores. iii. En biofiltros industriales, actualmente en funcionamiento, no se precisarían grandes inversiones económicas para implementar este tipo de procedimiento, ya que desde el punto de vista tecnológico no se requiere de la incorporación de un equipamiento específico avanzado. Sólo es necesario realizar la incorporación del relleno con los microorganismos inmovilizados.
