Degradación de metano en biorreactores de partición de dos fases - Rocha Ríos, José Martiniano (Universidad Autónoma Metropolitana, 2010)
En este trabajo, se estudió el efecto de la adición de un vector de transferencia (aceite de silicón) sobre la degradación de metano por un consorcio metanótrofo en cuatro configuraciones de reactor; dos contactores turbulentos (tanque agitado, RTA y airlift, RAL) y dos contactores laminares (lecho escurrido, RLE y capilar, RC). Una parte importante del trabajo se empleó en investigar el efecto de la adición del vector sobre el incremento en el coeficiente volumétrico de transferencia de masa abiótico (kLa) en los diversos sistemas, comparando dicho efecto con el de otras variables propias de cada sistema, cuyo incremento puede aumentar también kLa (velocidad de agitación en el RTA, flujo de recirculación del líquido en el RLE, flujo de recirculación del gas en el RAL y flujo de recirculación de gas en el flujo de Taylor producido en el RC). La otra parte fundamental sobre la que se centró esta investigación fue analizar el efecto de la adición del vector y las variables propias consideradas en cada sistema sobre la degradación de metano por el consorcio metanótrofo. En el RTA operado a una carga volumétrica de metano de 65 g m-3 h-1, se obtuvo una mejora máxima del 50% (de 33 a 50 g m-3 h-1) en la degradación de metano debido al incremento en la fracción del vector (de 0 a 10% v/v) a una velocidad de agitación de 800 rpm. A su vez, el máximo incremento en biodegradación de metano debido al incremento en la velocidad de agitación (de 200 a 800 rpm) fue del 700% (de 6 a 50 g m-3 h-1) cuando la fracción del vector fue fijada en 10% (v/v). Ambos, la adición del vector y el incremento en la velocidad de agitación mostraron también incrementar kLa en este biorreactor turbulento. Los resultados indican que la principal variable que contribuyó a la transferencia de masa y consecuentemente a la degradación de metano fue la velocidad de agitación en el sistema, mientras que el efecto de la adición de aceite sólo fue apreciable por encima de 200 rpm, indicando la importancia del grado de dispersión del vector y la hidrodinámica del sistema. En el RLE operado a una carga volumétrica promedio de metano de 144 g m-3 h-1 y un flujo de recirculación del líquido de 175 mL min-1 Lemp -1 , se determinó un incremento máximo en degradación de metano de 131% (de 22 a 51 g m-3 h-1) debido a la adición de 10% (v/v) del vector. Sin embargo, cuando la carga volumétrica promedio de metano fue sólo 74 g m-3 h-1 no hubo efecto de la adición del vector (5 y 10% v/v) ni del incremento en la velocidad de recirculación del líquido a 275 mL min-1 Lemp ‐1 sobre la biodegradación de metano en este sistema. Una revisión de la literatura indicó que otros autores han reportado comportamientos similares en biofiltros donde el efecto del vector es despreciable a bajas cargas volumétricas del contaminante pero apreciable a cargas mayores. En el RAL, el aumento en la velocidad de recirculación del gas de 0 a 1 vvm incrementó la degradación de metano un 47% (de 12 a 18 g m-3 h-1). Sin embargo, a 1 vvm de recirculación no se apreció un efecto de la adición del 10% (v/v) del vector sobre la degradación de metano en el sistema, aún cuando la misma fracción del vector incrementó 100% el kLa abiótico durante determinaciones previas a dicho flujo de recirculación (1 vvm). Los resultados obtenidos sugieren que el sistema estuvo limitado por transferencia de masa sin recirculación, y limitado por la reacción biológica a 1 vvm. No obstante, experimentos adicionales son requeridos para clarificar este hallazgo particular, ya que muestras de biomasa tomadas del reactor para cinéticas de degradación de metano en botellas (por lote) presentaron velocidades de degradación superiores a las medidas en el RAL indicando una mayor capacidad degradatoria de los microorganismos. Otro aspecto adicional que debe ser estudiado en este sistema es la dispersión del vector ya que incluso a 1 vvm se observaron aglomerados de aceite entre el tubo concéntrico de flujo ascendente (riser) y el de flujo descendente (downcomer) que no recirculaban con el líquido. En el RC, el incremento tanto de la fracción de aceite como del flujo de Taylor) incrementaron la biodegradación de metano. La máxima degradación de metano en el sistema capilar operado en lote fue de 2.8 g m-3 h-1, que sí se escala a un monolito de 250 canales capilares en continuo equivaldría a una capacidad de eliminación de hasta 125 g m-3 h-1 que es más alta que la obtenida en el RTA pero con un consumo de energía menor.; In the TBR, a maximum increase in methane degradation of 131% was obtained with the silicone oil addition (10% v/v) compared to a control system without a transfer vector during a first study with a liquid flow reci rculation fixed in 175 mL min-1 Lpack ‐1 and an average volumetric methane load of 144 g m-3 h-1. However, in a second study where the average volumetric methane load was only 74 g m-3 h-1, no effect mediated by the addition of silicone oil (5 and 10% v/v) or by increasing the liquid recirculation flow at 275 mL min-1 Lpack ‐1 on the biodegradation of methane in this system was observed. Other authors have reported similar behaviors in biofilters where the silicone oil effect was negligible at low pollutant’s volumetric loads but notable at higher pollutant loads. In the ALR, the increase in the gas recirculation up to 1 vvm increased the methane degradation by 47% from 12 to 18 g m-3 h-1; nevertheless, with a gas recirculation flow of 1 vvm none effect of the silicone oil addition (10% v/v) on methane degradation was observed in the system, even when the measured kLa was increased with the vector addition at the same gas recirculation flow. The obtained results suggest that the system was limited by mass transfer without recirculation, and limited by the biological reaction at 1 vvm but additional experiments must be done to clarify this particular finding since biomass samples taken from the reactor to performance methane degradation kinetics in bottles (batch) showed degradation rates higher than those measured in the ALR. Another additional aspect to be considered is the vector dispersion in this system because even at 1 vvm oil’s agglomerates not recirculating with the liquid were observed in the space between the riser and downcomer. In the CR, the increase of both variables (oil fraction and Taylor flow) increased the methane biodegradation. The maximum methane degradation obtained during the batch degradation experiments in the capillary system was 2.8 g m-3 h-1 which being extrapolated to a monolith package with 250 capillaries would produce a continuous methane elimination capacity of 125 g m- 3 h-1 which is higher than that obtained in the STR but with lower power consumption.