ACONDICIONAMIENTO DE UN REACTOR ANAEROBIO EMPACADO CON ZEOLITA CLINOPTILOLITA PARA LA INMOVILIZACIÓN DE BIOMASA ACIDOGÉNICA

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1 ACONDICIONAMIENTO DE UN REACTOR ANAEROBIO EMPACADO CON ZEOLITA CLINOPTILOLITA PARA LA INMOVILIZACIÓN DE BIOMASA ACIDOGÉNICA FIGUEROA TORRES G.M., CERTUCHA-BARRAGÁN M.T., BURGOS- DUARTE R.S., MONGE-AMAYA O., ALMENDARIZ TAPIA F.J. Universidad de Sonora, Blvd. Luis Encinas y Rosales, Col. Centro. C.P Hermosillo, Son. México. gonzalofigueroa@live.com.mx. RESUMEN Se ha reportado que los microorganismos acidogénicos, los cuales convierten la materia orgánica en ácidos grasos volátiles (AGV s), son más resistentes a la toxicidad provocada por metales pesados. Esto hace factible el uso de biomasa acidogénica durante el tratamiento de aguas contaminadas con metales pesados. Por ello, el objetivo del trabajo es establecer condiciones que propicien el desarrollo de biomasa acidogénica en un reactor anaerobio de lecho fijo, empleando zeolita como medio de soporte de los microorganismos. El reactor se empacó con 1.05 kg de zeolita con un tamaño de partícula de mm y se inoculó con lodos metanogénicos. La alimentación consistió en medio mineral (ph=4) con 5.33 gdqo dextrosa /L-d como fuente de materia orgánica, con el fin de activar la producción de AGV s. Se encontraron porcentajes de remoción de DQO (demanda química de oxígeno) inferiores al 30% y una producción promedio de 850 mgagv s/l-d. Por otro lado, el análisis de la zeolita por microscopía electrónica de barrido (MEB) muestra claramente el crecimiento de la biomasa sobre la superficie de la zeolita. Estos resultados indican que el reactor se encuentra en condiciones acidogénicas lo que permitirá estudiar la biosorción de metales pesados. Palabras Clave: Acidogénesis, clinoptilolita, inmovilización, reactor anaerobio ABSTRACT It has been reported that acidogenic microorganisms, which convert organic matter into volatile fatty acids (VFA s), are more resistant to the toxicity caused by heavy metals. Thus, the use of acidogenic biomass for the treatment of wastewater containing heavy metals is a feasible alternative. The main objective of this work is to establish conditions that favor the growth of acidogenic biomass in an anaerobic packed bed reactor, using zeolite as a support material for the microorganisms. The reactor was packed with 1.05 kg of zeolite with a particle size within the range of mm, and it was inoculated with methanogenic sludge. The feed consisted of mineral medium (ph=4) containing 5.33 gcod/l-d as a source of organic matter to enhance VFA production. Chemical Oxygen Demand (COD) removals were found to

2 be less than 30%. The average VFA production by the biomass was 850 mgagv s/l-d. On the other hand, Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis of the support shows growth of the biomass on the surface of the zeolite. These results indicate that the reactor is in acidogenic conditions, which will allow the study of heavy metals biosorption. Key words: acidogenesis, clinoptilolite, immovilization, anaerobic reactor INTRODUCCIÓN Las actividades industriales generan grandes cantidades de efluentes líquidos, los cuales pueden contener altos niveles de metales pesados. Estas descargas propician la acumulación de este tipo de contaminantes a concentraciones perjudiciales para el correcto funcionamiento de los ecosistemas, lo que constituye un problema de importancia económica y salud pública (Cañizarez y col., 2000). Una alternativa eficiente para remover metales pesados presentes en efluentes líquidos es la biosorción, la cual consiste en hacer uso de la capacidad que poseen algunos microorganismos de captar a los iones metálicos por medio de fenómenos físico-químicos y/o metabólicos, y se puede llevar a cabo en un bioreactor (Volesky y col., 2003). Sin embargo, durante la operación de estos bioreactores se pueden encontrar algunos problemas que pueden disminuir la eficiencia del proceso. Los problemas más comunes son la pérdida, o lavado de la biomasa y los efectos tóxicos de los contaminantes. Para solucionar los problemas de lavado se utilizan materiales de soporte, que inmovilizan la biomasa dentro del bioreactor. Las zeolitas son compuestos minerales cristalinos cuyas características estructurales las hacen atractivas para su implementación como materiales de soporte (Fernández y col., 2007). Para superar los efectos tóxicos ocasionados por los metales, se debe considerar la resistencia de los microorganismos utilizados. Se ha reportado que durante un proceso anaerobio, los microorganismos acidogénicos, los cuales convierten la materia orgánica en ácidos grasos volátiles, son menos sensibles a la inhibición provocada por la presencia de metales pesados (Chiu-Yue y col., 1999). Debido a esto, el objetivo principal de este trabajo es establecer condiciones que propicien el desarrollo de biomasa acidogénica en un reactor anaerobio de lecho fijo, empleando zeolita como medio de soporte de los microrganismos. MATERIALES Y MÉTODOS Los estudios en continuo se llevaron a cabo en un reactor de acrílico con un volumen de operación de 1.9 L, altura 50 cm y diámetro 7cm (Figura 1). El

3 reactor se empacó con 1.05 kg de zeolita (clinoptilolita) con un tamaño de partícula de mm y se inoculó inicialmente con 300 ml de lodos metanogénicos. Las condiciones de operación se mantuvieron en los siguientes valores: temperatura 30 C y tiempo de residencia hidráulica (TRH) 1 día, para lo cual se utilizó un flujo de entrada de 1.3 ml/min. El reactor se alimentó con el medio mineral propuesto por Visser (1995), ajustado a un ph de 4. Como fuente de materia orgánica se utilizó inicialmente 4 g/l de dextrosa (4.266 gdqo/l). Este valor se incrementó a 5 g/l de dextrosa (5.333 gdqo/l) con el fin de activar la producción de ácidos grasos volátiles (AGV s). Para fomentar el desarrollo de los microorganismos acidogénicos, se recirculó el efluente a un flujo de 50 ml/min. Figura 1. Esquema general del reactor de lecho empacado Caracterización del lecho: Se determinaron los sólidos totales (ST), sólidos fijos (SF) y sólidos suspendidos volátiles (SSV) de acuerdo al método gravimétrico, el cual consiste en el cálculo de la diferencia de pesos entre la muestra secada a 110 C y calcinada a 550 C. Se tomó una muestra de la biomasa contenida en el reactor y se le realizó una tinción de Gram para su observación en un microscopio óptico Olympus CX31, Japón. También se realizaron análisis de la clinoptilolita por Microscopía Electrónica de Barrido para observar la evolución de la biomasa dentro del reactor. Caracterización del efluente: Se determinó la demanda química de oxígeno (DQO) de acuerdo a los métodos estándares establecidos en APHA, Los AGV s (ácido acético, ácido propiónico, ácido butírico) producidos en el reactor se determinaron mediante la técnica de cromatografía líquida de alta presión (HPLC), para lo cual se utilizó una columna Varian Hi-Plex H a una T=65 C. La fase móvil consistió en H 2 SO 4 9x10-3 M a un flujo de 0.6 ml/min como fase móvil. Se empleó un detector de UV-visible a una longitud de onda de 210 nm. Las muestras fueron centrifugadas por 15 minutos a 1500 rpm y posteriormente filtradas a través de una membrana con un tamaño de poro de 0.22 µm.

4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Caracterización del lecho: Los datos obtenidos por el método gravimétrico se presentan en la Tabla I. Los SSV son una medida indirecta de la cantidad de biomasa presente en una muestra determinada, por lo que los valores encontrados en este trabajo indican que la cantidad de biomasa dentro del biorreactor se incrementó durante la experimentación. Esto significa que las condiciones de operación utilizadas, en conjunto con el medio de alimentación, propician el desarrollo de los microorganismos. Tabla I. Sólidos g / g clinoptilolita + lodo Arranque Etapa 2 Sólidos Totales (ST) Sólidos Fijos (SF) Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV) En la Figura 2, obtenida en el microscopio óptico a una amplificación de 100X, se observa que la biomasa dentro del bioreactor corresponde en su mayoría a bacterias Gram negativas con estructuras bacilares. Algunos de los géneros más comunes asociados con las bacterias acidgénicas son: Lactobacillus, Selenomomas, Sarcinas y Zymomonas (Almendáriz, 2001), para determinar con mayor especificidad el tipo de bacterias que se tienen se necesita realizar pruebas de biología molecular. Figura 2. Bacterias Gram negativas dentro del reactor El estudio de la clinoptilolita se realizó mediante Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), los resultados obtenidos se presentan en la Figura 3. Éste análisis se realizó a muestras de clinoptilolita sin biomasa y clinoptilolita con biomasa. Se puede observar en las micrografías el desarrollo de una biopelícula que recubre la superficie de la clinoptilolita, lo que favorece la inmovilización de los microorganismos dentro del bioreactor. Esto indica que la clinoptilolita se puede utilizar adecuadamente como medio de soporte para la inmovilización de biomasa en reactores de tipo APBR.

5 g DQO /L A) B) Figura 3: Fotomicrografías de MEB correspondiente A) clinoptilolita sin biomasa, B) clinoptilolita con biomasa. Caracterización del efluente: En la Figura 4 se presenta la DQO de entrada y salida a partir de un valor de alimentación de gdqo/l de dextrosa. Posteriormente el valor se incrementó a gdqo/l. Se puede observar un valor de ~ 30% de eficiencia cuando el bioreactor se alimentó con gdqo/l, al aumentar a gdqo/l la eficiencia de remoción disminuyó al 10%. Los bajos valores de eficiencia, inferiores al 20%, indican que los lodos no degradan por completo la materia orgánica hasta la producción de metano, como sucede durante la fase metanogénica de la digestión, esto indica que los lodos se encuentran en la etapa de acidogénesis, donde hay producción de AGV s DQO Entrada DQO Salida % Remoción Días Figura 4. Eficiencia de remoción de DQO en el bioreactor. En la Figura 5 se presentan los resultados obtenidos por la técnica de HPLC, en donde se determinó la concentración de los AGV s producidos en el reactor. Se ha reportado que la presencia de ácido butírico en concentraciones superiores a 5 mg/l es un indicador de fallas en la digestión anaerobia; por otra parte, la concentración máxima de ácido acético tolerable por microorganismos metanogénicos es 500 mg/l (Fernández, 2007). Se puede observar en la Figura 5 que el ácido butírico se encuentra presente en el efluente en concentraciones cercanas a cero. Se observa también que la concentración de ácido acético aumenta a partir del día 50 con respecto a la concentración de ácido propiónico, lo que concuerda con el incremento a 5 g/l de dextrosa en la alimentación (etapa 2), además, sus niveles se % de Remoción

6 [mg/l] encuentran por arriba de 500 mg/l. Esto indica que los microorganismos que prevalecen en el reactor son acidogénicos.. Ac. Acético Ac. Propiónico Ac. Butírico Días Figura 5. Concentración de AGV s en el efluente del reactor. CONCLUSIÓN Los resultados anteriores son una muestra clara de que el reactor se encuentra en la fase acidogénica de la digestión, lo que permitirá continuar con estudios de toxicidad y biosorción, para determinar la factibilidad de utilizar esta técnica de biorremediación como una alternativa para la remoción de metales pesados presentes en las aguas residuales. REFERENCIAS APHA, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. American Public Health Association/American Water Works Association/Water Pollution Control Federation, Washington DC, USA (1995). Almendáriz-Tapia F.J., Degradación del alquilbencen sulfonato lineal (LAS) en un reactor acidogénico bioaumentado con una cepa de Pseudomonas aeruginosa M113. Tesis de maestría. Universidad Autónoma Metropolitana, (2001). Cañizares-Villanueva R.O., Biosorción de metales pesados mediante el uso de biomasa microbiana. Rev. Latinoam. Microbiol. 42(3), (2000). Chiu-Yue L., Chin-Chao C., Effect of heavy metals on the methanogenic UASB granule. Water Research. 33(2), (1999). Fernández N., Montalvo S., Fernández-Polanco F., Guerrero L., Cortés I., Borja R., Sánchez E., Travieso L., Real evidence about zeolite as microorganisms immobilizer in anaerobic fluidized bed reactors. Process Biochemistry. 42(4), (2007).

7 Volesky, B. Sorption and Biosorption. BV Sorbex, Inc. Montreal, Canada, 2003.