CH04226_Retamal_Reyes(1)

7/25/2019 CH04226_Retamal_Reyes(1)

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IV-Retamal-Chile-1

DESARROLLO DE UN MODELO EXPLCITO EN TEMPERATURA PARALA ETAPA HIDROLTICA DE LA DIGESTIN ANAEROBIA

Crist ina Retamal Reyes(1)Ingeniero Civil Bioqumico. Estudiante Magster en Ciencias de la Ingenieracon Mencin en Ingeniera Bioqumica. Escuela de Ingeniera Bioqumica,Pontificia Universidad Catlica de Valparaso.Alessandra Heim SbarbaroEstudiante Magster en Ciencias de la Ingeniera con Mencin en IngenieraBioqumica. Escuela de Ingeniera Bioqumica, Pontificia UniversidadCatlica de Valparaso.Dr. Marta Carballa ArcosBecaria Postdoctoral. Escuela de Ingeniera Bioqumica, Pontificia Universidad Catlica deValparaso.Dr. Gladys Vidal SaezProfesor asociado. Centro de Ciencias Ambientales EULA-Chile, Universidad de Concepcin.Dr. Gonzalo Ruiz Filipp iProfesor asociado. Escuela de Ingeniera Bioqumica, Pontificia Universidad Catlica de Valparaso.Dr. Rolando Chamy MaggiProfesor titular. Escuela de Ingeniera Bioqumica, Pontificia Universidad Catlica de Valparaso.

Direccin (1):Escuela de Ingeniera Bioqumica -General Cruz 34 - Valparaso - Chile - Tel.: (+56)032-2273819 - Fax: (+56) 032-2273803 - E-mail: [email protected].

RESUMEN

La digestin anaerobia es uno de los procesos ms antiguos de tratamiento de aguas residuales

que consta fundamentalmente de 3 etapas: hidrlisis, acidognesis y metanognesis.Generalmente, la metanognesis es la etapa ms lenta y, por tanto, la limitante del proceso; sinembargo, cuando hay presencia de sustratos complejos, la etapa limitante es la hidrlisis. Existe ungran nmero de factores que afectan la digestin anaerobia, entre los que destaca la temperatura,ya que se ha encontrado que la velocidad de hidrlisis es ms lenta a temperaturas bajas.

El objetivo de este trabajo es estudiar la influencia de la temperatura sobre los parmetros cinticosde los microorganismos mesfilos que intervienen en la etapa de hidrlisis, con el fin de obtener unmodelo explcito en temperatura para la etapa hidroltica de la digestin anaerobia. Para ello serealizaron ensayos discontinuos, usando almidn de papa como sustrato a 4 concentracionesiniciales diferentes (1-3 g/L). Las temperaturas estudiadas fueron 12, 22, 30, 37, 45 y 55C y elinculo utilizado (1 g SSV/L) proviene de un digestor mesfilo de lodos de mezcla completa de unaplanta de tratamiento de aguas residuales urbanas (La Farfana). Para la obtencin de la constante

de hidrlisis, se utiliz un modelo cintico de consumo de sustrato de primer orden, el cual planteaque la velocidad de hidrlisis est linealmente relacionada con la concentracin de sustrato. Lasconstantes de hidrlisis obtenidas para las diferentes temperaturas son: 0,068 0,023 h

-1 (12C);

0,291 0,063 h-1

(22C); 0,612 0,057 h-1

(30C); 0,904 0,097 h-1

(37C); 0,313 0,038 h-1

(45C); 0,415 0,063 h

-1 (55C). Se observa que la constante de hidrlisis aumenta con la

temperatura hasta alcanzar un valor mximo a 37C. Luego hay un decaimiento a 45C y se apreciaun leve aumento a 55C. Esto se plantea como un fenmeno interesante, sugiriendo el estudio detemperaturas superiores a 55C para comprobar si existe otro valor ptimo. La dependencia de latemperatura para la etapa de hidrlisis se ajusta al modelo de Arrhenius hasta la temperaturaptima (37C); sin embargo, es necesario desarrollar un modelo para temperaturas superiores.

Palabras claves: almidn, digestin anaerobia, hidrlisis, modelacin, temperatura.


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INTRODUCCIN

La digestin anaerobia es uno de los procesos ms antiguos de tratamiento de aguas residuales.Entre sus ventajas destacan la baja produccin de lodos (Bastone et al., 2002), la utilizacin dealtas cargas orgnicas, la alta destruccin de patgenos y la produccin de metano como fuente deenerga (Gosh et al.,1975). El proceso de digestin anaerobia consta de 3 etapas fundamentales:hidrlisis, en donde se solubilizan compuestos de alto peso molecular; acidognesis, donde se llevaa cabo la metabolizacin de monmeros a productos intermedios, fundamentalmente cidos grasosvoltiles (AGV); y metanognesis, que corresponde a la transformacin del acetato, dixido decarbono e hidrgeno en el principal producto de la digestin anaerobia, metano.

La metanognesis, en relacin con el resto de las etapas, es relativamente lenta, siendogeneralmente considerada como la etapa limitante del proceso; sin embargo, cuando hay presenciade sustratos complejos, la etapa limitante es la hidrlisis. La hidrlisis de protenas, lpidos ehidratos de carbono es realizada a travs de enzimas sintetizadas por los microorganismos. Losmecanismos que se han propuesto para la hidrlisis son: a) los microorganismos secretan enzimasal medio lquido, y stas se adsorben al sustrato para liberar un sustrato soluble (Jain et al., 1992);y b) los microorganismos se adhieren al sustrato, secretan enzimas en la vecindad del mismo yluego se benefician de los sustratos disueltos liberados (Vavilin etal., 1996). Ambos mecanismos

requieren un contacto directo microorganismo-sustrato. La hidrlisis de protenas es llevada a cabopor enzimas proteolticas que generan una serie de aminocidos que ingresan posteriormente a laetapa de oxidacin anaerobia. La hidrlisis de lpidos, en la que intervienen una serie de lipasas,genera glicerol, colina y cidos grasos de cadena larga y la hidrlisis de carbohidratos, como elalmidn, requiere de una compleja mezcla enzimtica formada por y amilasas, glucoamilasas yglucanasas.

Hay un gran nmero de factores que afectan la digestin anaerobia, tales como las caractersticasdel agua residual a tratar y parmetros operacionales, como el tiempo de retencin hidrulico(TRH), el tiempo de retencin de slidos (TRS), la temperatura, el pH y la concentracin desustratos, productos e inhibidores.

La temperatura tiene un considerable impacto sobre parmetros fsicos y biolgicos. En la digestinanaerobia se encuentran definidos tres rangos de temperatura: psicrfilo (4-15C), mesfilo (20-

40C) y termfilo (> 45C). Generalmente, los sistemas de tratamiento anaerobio son operados arangos mesfilo y termfilo; sin embargo, se estn realizando estudios para aplicar esta tecnologaen rango psicrfilo intentando ser una solucin alternativa para el tratamiento de las aguasresiduales urbanas.

Se ha encontrado que la velocidad de hidrlisis es ms lenta en condiciones psicrfilas y, por lotanto, la presencia de material complejo o particulado puede constituir un inconveniente en elproceso global de degradacin anaerobia, provocando el deterioro de la biomasa por laacumulacin de slidos (Mahmoud et al., 2003).

Cuando la concentracin de enzima no es limitante, la dependencia de la temperatura para la etapade hidrlisis ha sido modelada comnmente mediante la ecuacin de Arrhenius (1) en donde lavelocidad de crecimiento aumenta exponencialmente con la temperatura hasta la temperaturaptima, seguido por un decaimiento exponencial si se excede la misma (Atkins, 1986).

=RT

Eakk exp0 (1)

donde k es la constante de hidrlisis (h-1

), k0es la constante de Arrhenius (h-1

), Ea es la energa deactivacin de la reaccin (kJ/mol), R es la constante de los gases (8,32 J/molK) y T es latemperatura absoluta (K).

Sin embargo, esta expresin se plantea como una ecuacin emprica y no ha sido demostrada deforma precisa. Por lo tanto, es de un gran inters conocer los efectos de la temperatura sobre laetapa hidroltica de la digestin anaerobia para un consorcio anaerobio mesfilo cuya temperaturaptima sera alrededor de 37C, con el fin de encontrar las mejores condiciones de operacin parala hidrlisis de material complejo o particulado.


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El objetivo de este trabajo es estudiar la influencia de la temperatura sobre los parmetros cinticosde los microorganismos mesfilos que intervienen en la etapa de hidrlisis, con el fin de obtener unmodelo explcito en temperatura para la etapa hidroltica de la digestin anaerobia.

MATERIALES Y MTODOS

Modelacin de la etapa hidroltica de la digestin anaerobia

La etapa de hidrlisis es comnmente modelada por una cintica de primer orden (Eastman yFerguson, 1981), en donde la velocidad de hidrlisis est linealmente relacionada con laconcentracin de sustrato (2).

Ah

ASk

dt

dS= (2)

Donde SA es la concentracin de sustrato polimrico o particulado (g/L) y kh es la constante dehidrlisis (h

-1).

Determinacin de la constante de hidrlisisResolviendo la ecuacin cintica de primer orden (2), se obtiene:

tkS

S

h

A

A =0ln (3)

Representando ln S0A/SA frente al tiempo, se obtiene una recta cuya pendiente corresponde a laconstante de hidrlisis.

Condiciones experimentales

Se realizaron experimentos a 6 condiciones de temperatura: 12, 22, 30, 37, 45 y 55C, siguiendo unprotocolo semejante al de la determinacin de la actividad hidroltica (Soto et al., 1993).

Los ensayos se realizaron en botellas Schott de 310 mL con un volumen til de 200 mL. Para cadaensayo se us almidn de papa soluble (Loba Chemie) como sustrato con una concentracin inicialentre 1 y 3 g/L. El medio de cultivo utilizado es el propuesto por Field et al. (1988). El inculoutilizado (1 g SSV/L) proviene de un digestor mesfilo de lodos de mezcla completa de una plantade tratamiento de aguas residuales urbanas y, previamente, ste es lavado con agua para laeliminacin de slidos que pueden contener los distintos sustratos en estudio. Para mantener el pHconstante en torno a 7 se utiliz tampn bicarbonato en una relacin de 1,5 g de bicarbonato/gDQO.

Se realiza una primera alimentacin con una concentracin inicial de almidn de 1 g/L comn paratodas las botellas y se incuban a la temperatura de medicin. Cuando el almidn remanentealcanza un valor estable mnimo, se procede con la segunda alimentacin. Para ello, se retiran lasbotellas del bao de incubacin y se deja sedimentar el lodo. A continuacin, se retira la mayor

parte del sobrenadante y se procede con la segunda alimentacin, en la que se agrega almidn enlas concentraciones descritas en la Tabla 1. Finalmente, se vuelven a incubar las botellas a latemperatura de medicin.

Todos los ensayos fueron realizados por duplicado y se sigui el consumo de almidn en el tiempo.

Tabla 1: Concentraciones de sustrato y tampn util izadas.Botella Almidn inicial terico (g/L) Bicarbonato de sodio (g/L)

1 1,0 1,502 1,5 2,253 2,0 3,004 3,0 4,50


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Metodologa analtica

La concentracin de almidn se obtiene de la diferencia entre la concentracin de azcares totales(Dubois et al., 1956) y la concentracin de azcares reductores (DNS modificado, Miller, 1959). Semidi el pH inicial y final por medio de un electrodo de pH y se determin la concentracin debiomasa en las botellas al final de cada experimento por medio de la determinacin de los slidossuspendidos voltiles (APHA, 1989).

RESULTADOS Y DISCUSIN

Cinticas de consumo de almidn

En la Figura 1 se presenta, a modo de ejemplo, el consumo de almidn en el tiempo a las diferentestemperaturas de estudio, para los ensayos con una concentracin inicial d 1,5 g/L de almidn, losdems ensayos (1; 2 y 3 g/L) son anlogos.

0,0

0,5

1,0

1,5

0 5 10 15 20 25

Tiempo (h)

(a)

Almidn

(g/L

)

0,0

0,5

1,0

1,5

0 5 10 15 20 25

Tiempo (h)

(b)

Almidn(g/L

)

0,0

0,5

1,0

1,5

0 5 10 15 20 25

Tiempo (h)

(c)

Almidn(g/L)

0,0

0,5

1,0

1,5

0 5 10 15 20 25

Tiempo (h)

(d)

Alm

idn

(g/L)

0,0

0,5

1,0

1,5

0 5 10 15 20 25

Tiempo (h)

(e)

Almidn(g/L)

0,0

0,5

1,0

1,5

0 5 10 15 20 25

Tiempo (h)

(f)

Alm

idn(g/L)

Figura 1: Consumo de almidn en el tiempo a diferentes temperaturas: 12C (a), 22C (b),30C (c), 37C (d), 45C (e) y 55C (f). Concentracin inicial de almidn: 1,5 g/L,aproximadamente.


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Se puede observar que el tiempo de consumo de almidn vara con la temperatura. A 12C, elalmidn es consumido en aproximadamente 22 horas (Figura 1a), mientras que si se aumenta latemperatura a 22C, el tiempo de consumo disminuye notablemente a 7 horas (Figura 1b). A 30(Figura 1c) y 37C (Figura 1d), el tiempo de consumo es an menor (~4 h); sin embargo, cuando latemperatura aumenta a 45-55C (Figuras 1e y 1d), el tiempo de consumo de almidn vuelve a

aumentar hasta un valor aproximado de 6 horas.

Constantes de h idrlis is a diferentes temperaturas

En la Tabla 2 se muestran las constantes de hidrlisis de almidn (valor medio con su respectivadesviacin estndar) determinadas para las distintas temperaturas de estudio, y la Figura 2 muestrala variacin de la constante de hidrlisis con la temperatura.

Tabla 2: Constantes de hidrlisis a diferentes temperaturas.Temperatura (K) Constante de hidrlisis (h-1)

285,15 0,068 0,023

295,15 0,291 0,063

303,15 0,612 0,057310,15 0,904 0,097

318,15 0,313 0,038

328,15 0,415 0,063

Las correlaciones (R2) de la linealizacin de la ecuacin cintica de primer orden son bastante altas

(0,92-0,98) y las desviaciones estndar son bajas. Se observa que a medida que aumenta latemperatura de 12 a 37C, el valor de la constante de hidrlisis es ms alto, para luego disminuir atemperaturas de 45 y 55C. Adems, el valor de la constante de hidrlisis es mayor a 55 que a45C, hecho que podra presuponer una reactivacin enzimtica derivando en un nuevo ptimosobre los 55C o a la existencia de nuevas enzimas que posean actividad en condicionestermfilas. Otros estudios realizados sobre la hidrlisis de compuestos ms difcilmente

biodegradables (pan de trigo integral, hojas, corteza, cscaras de naranja y hierba) arrojaronconstantes de hidrlisis de 0,001-0,006 h-1

a 20C, 0,004-0,011 h-1

a 30C y 0,01-0,02 h-1

a 40C(Veeken y Hamelers, 1999). Aunque estos valores son muy inferiores a los obtenidos en esteestudio, se corrobora el hecho de que el valor ptimo se encuentra en torno a 37C. Otro estudio(Poirrier, 2005) revela que la constante de hidrlisis de almidn es menor a 15C (0,016 h

-1) que a

37C (0,133 h-1

). Estos valores son notablemente inferiores a los obtenidos en este trabajo (0,07-0,90 h

-1), hecho que puede estar relacionado con las caractersticas del inculo utilizado.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

280 290 300 310 320 330 340

T (K)

k(h-1)

Figura 2: Variacin de la constante de hidrlisis con la temperatura.

Modelo c intico explcito en temperatura para la hidrlisis de almidn


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El modelo propuesto para describir la influencia de la temperatura en la hidrlisis de almidn es elmodelo de Arrhenius. Para comprobar si este modelo se ajusta a las constantes de hidrlisisdeterminadas experimentalmente a diferentes temperaturas se realiz una linealizacin de laecuacin 1. As, representando ln k versus la temperatura se obtendra una recta cuya pendiente

corresponde a Ea/R.

En la Figura 3 se presenta la linealizacin de la ecuacin de Arrhenius en el rango de temperaturaentre 285,15 y 310,15 K. Los datos presentaron una buena correlacin (R

2: 0,9716) y el valor de la

energa de activacin obtenido es de 769,33 (kJ/mol). En el estudio realizado por Veeken yHamelers (1999) para distintos compuestos particulados se obtuvo una energa de activacin de 64(kJ/mol), notoriamente menor a la obtenida en este trabajo.

-3,0

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

0,0032 0,0033 0,0034 0,0035 0,0036

1/T (K)

ln(k(h-1))

Figura 3: Grfica de Arrhenius para la hidrlisis de almidn.

CONCLUSIONES

Las principales conclusiones obtenidas de este trabajo son:- El consumo de almidn sigue una cintica de primer orden.- Los valores de las constantes de hidrlisis son ms altos a medida que aumenta la

temperatura de 12 a 37C; sin embargo, a 45 y 55C, se obtienen valores menores.- El valor de la constante de hidrlisis es mayor a 55 que a 45C, hecho que puede ser

debido a la existencia de un nuevo ptimo a temperaturas elevadas.- Se obtuvieron constantes de hidrlisis mayores a las obtenidas en otros estudios,

probablemente debido a las caractersticas del inculo utilizado, ya que ste proceda de undigestor de lodos, por lo que su capacidad hidroltica es alta.

- La influencia de la temperatura sobre la hidrlisis de almidn se ajusta bien al modelo deArrhenius hasta la temperatura ptima de 37C.

- Es necesario estudiar ms en profundidad el efecto de la temperatura entre 37 y 45C y,adems temperaturas mayores de 55C para poder corroborar la existencia de otro ptimo.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue realizado gracias al apoyo de los proyectos Fondecyt N 1060220 y N

1050320.


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REFERENCIAS

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