Biodegradación de fenol, cálculo de la velocidad neta de consumo de fenol en un biofilm heterogéneo continuo

ELIO E. GONZO; VERÓNICA B. RAJAL

La Plata

Simposio; 2do Simposio Argentino de Procesos Biotecnológicos Dr. Rodolfo J. J. Ertola; 2012

Introducción En una reciente publicación [1] los autores presentaron la resolución del problema del cálculo de la velocidad neta (factor de efectividad) de producción de biomasa y/o el consumo de un substrato según el modelo del biofilm heterogéneo continuo. Este modelo considera que tanto la densidad del biofilm (Xf) como la difusividad efectiva del sustrato (fenol) (DfF), varían con la distancia perpendicular al substratum. Disminuyendo hacia la interfase biofilm-fluido en el caso de la densidad y aumentando en el caso de la difusividad efectiva [2]. En el caso particular de la biodegradación del fenol, se utilizó los parámetros cinéticos correspondientes a la velocidad de crecimiento de Pseudomonas putida CCRC 14365 [3]. El fenol, en este caso, actúa como substrato y como inhibidor según una expresión cinética Doble-Monod: Donde (r) es la velocidad de formación de biomasa (g/m3 h), (qmax) la velocidad específica de crecimiento (h-1), (KF) y (KI) las constantes de saturación y la de inhibición, y (CF) la concentración de fenol en g/m3. El objetivo de este estudio es presentar la técnica que permite obtener el factor de efectividad () y por ende la velocidad neta de crecimiento de biomasa y la de consumo de fenol a diferentes concentraciones de fenol en la fase fluida y para distintos espesores de biofilm. Esto permite realizar el diseño o la simulación del proceso considerando variables la densidad del biofilm, la difusividad efectiva del substrato y cinética Doble-Monod con inhibición. Modelado Teniendo en cuenta que tanto la difusividad efectiva del substrato como la densidad del biofilm varían con la posición en el mismo, el balance de materia para el fenol, en estado estacionario, viene dado por: (1) siendo (YF) la relación masa de microorganismos a masa de substrato (estequiometría). Esta ecuación diferencial debe resolverse bajo las siguientes condiciones de contorno: Sobre el substratum: x = 0 dCF/dx = 0 (substratum impermeable al sustrato) En la interfase biofilm-fluido: x = Lf CF = CFs (Lf) es el espesor del biofilm y (CFs) la concentración de fenol en la interfase biofilm-fluido. Utilizando el procedimiento establecido en el trabajo [1], el cálculo del factor de efectividad () y la velocidad neta de crecimiento de biomasa y el consumo de sustrato puede llevarse a cabo quasi-analíticamente. El método consiste en obtener las soluciones asintóticas de () en función del modulo de Thiele (), para bajos ( 0) y altos ( ) valores de (). Realizar un ensamble (matching) de estas soluciones asintóticas y encontrar la solución de () válida para todo el rango de valores de (). Adimensionalizando la ec. (1) y resolviendo, se obtiene: Siendo: y Donde (rneto) es la velocidad neta de consumo de fenol y (rs) la velocidad de consumo calculada con la concentración de fenol en la interfase biofilm-fluido. ( ) es la densidad media del biofilm. En la Tabla 1 se indican los parámetros cinéticos y las propiedades fisicoquímicas del sistema. () y ()definen el grado de heterogeneidad del biofilm [1, 2]. Resultados y discusión La Fig. 1 muestra como varía la velocidad neta de consumo de fenol con la concentración CFs, para tres espesores de biofilm. La forma como (rneto) cambia con CFs es similar a la que se observa experimentalmente para este sistema [3], como en el tratamiento de aguas servidas utilizando una mezcla de cultivos donde el sulfato de amonio actúa como inhibidor [4]. Para bajas concentraciones de CFs < 50 g/m3, el efecto inhibidor es muy bajo: [KI/(KI+ CFs]  1; la reacción tiende a ser de primer orden en CF. Para concentraciones de CFs > 300 g/m3, la inhibición es pronunciada y la reacción tiende a un orden negativo (-1). Esto explica el por qué del aumento de la velocidad de biorremediación para bajos valores de CFs hasta alcanzar un máximo y luego disminuir asintóticamente a medida crece CFs. El máximo de cada curva es mayor para bajos espesores de biofilm, disminuyendo a medida que aumenta el espesor del mismo. Esto queda reflejado en la Fig. 2 donde se observa que para un espesor de 75 , 1 (mínima resistencia a la difusión interna en el biofilm). Mientras que a medida que crece Lf, el efecto del proceso difusivo interno se incremente notablemente. Tabla 1 Parámetros del Modelo Designación Valor velocidad específica qmax 0.38 h -1 Constante de saturación del Fenol KF 18.3 g de F m -3 Constante de inhibición del Fenol KI 214.5 g de F m -3 Coeficiente estequiométrico YF 0.627 g de biomasa/ g de F Propiedades físicas Difusividad efectiva promedio del Fenol 2.7 x 10 -6 m2 h -1 Densidad promedio del biofilm 10000 g de biomasa/m3 de biof. Espesor del Biofilm Lf 75 m; 15 m o 300 m Heterogeneidad del Biofilm =/Lf  0.5 Relación DwP /P =DwF / 4 Figura 1 Figura 2 Referencias [1] Gonzo, Rajal, Wuertz, Biotechnology and Bioengineering, 2012, DOI 10.1002/bit.24441. [2] Beyenal; Lewandowski, Chem. Eng. Sci. 60, 4337-4348 (2005). [3] Chung, Wu, Juang, Biotechemical Engineering Journal 25 (2005) 209-217. [4] Tanyolaç, Salih, Tanyolaç, Bichem. Eng. J. 7 (2001) 177-182.