Estudio y modelamiento matemático de la biodegradación de hidrocarburos en biorreactores heterogéneos - Medina Moreno, Sergio Alejandro (Universidad Autónoma Metropolitana, 2006)
Se desarrollaron dos modelos para la predicción en la biodegradación de hidrocarburos en biorreactores heterogéneos. El primer modelo se baso en las biorreacciones de consumo de sustrato y formación de productos que suceden en la fase líquida acuosa, y el transporte por convección de hidrocarburos y oxígeno en interfases líquido-líquido y líquido-gas respectivamente. Este primer modelo fue capaz de describir la biodegradación de una mezcla de crudo maya parafinas en un biorreactor de dos fases no miscibles líquido-líquido (BLL). El modelo también permitió proyectar el comportamiento del BLL bajo diferentes condiciones de operación bióticas y abióticas. Por otra parte, la operación secuencial durante 20 ciclos y en condiciones de limitación de oxígeno del BLL, permitió mejorar la capacidad de un consorcio microbiano para biodegradar una mezcla de crudo maya y parafinas, produciendo un patrón de biodegradación estable a partir del cuarto ciclo de operación del birreactor. Además, el consorcio microbiano proveniente del BLL fue capaz de biodegradar y mineralizar sin inhibición, a una mezcla hidrocarburos totales del petróleo libre de asfaltenos. Se llevaron a cabo estudios de consumo de potencia y suspensión de sólidos para el biorreactor de lodos (BLD) utilizado en la biodegradación de hidrocarburos totales del petróleo de un suelo con un alto nivel de intemperización. Los estudios mostraron que un impulsor de flujo descendente con paletas planas y 45° de inclinación, fue el que presento el mejor desempeño en lo referente al consumo de potencia y suspensión efectiva de sólidos. Simultáneamente, se llevaron a cabo estudios en el transporte por convección de oxígeno en el BLD, determinándose que para cargas de sólidos hasta de un 10% p/v, los intervalos en los valores de la velocidad del impulsor (N min-1) y gasto de aire (Q L min-1), en los que se alcanzaron los valores más altos del coeficiente volumétrico de e transferencia de oxígeno (kLa h-1) fueron 425≤N≤445 y 5.25≤Q≤6.25. El segundo modelo desarrollado fue de difusión-sorción-biodegradación (DSB). El modelo fue capaz de predecir y describir la biodegradación de hidrocarburos totales del petróleo en el BLD para el suelo intemperizado en estudio. El modelo consideró un fenómeno de histéresis en los poros al interior de las partículas de suelo, en donde la trayectoria del equilibrio inicial de des-adsorción y solubilización de los HTPs (isoterma lineal), fue diferente a la trayectoria de un segundo equilibrio de re-adsorción (isoterma de Langmuir). El considerar para el segundo equilibrio una isoterma de tipo Langmuir, permitió explicar de manera clara el fenómeno de difusión retardada. Los modelos desarrollados pueden usarse como plataformas para la creación de criterios de diseño, así como para la determinación de las mejores condiciones de operación para la biodegradación de hidrocarburos mediante biorreactores heterogéneos. Two models to predict the hydrocarbon biodegradation in heterogeneous bioreactors were developed. The first model was supported in liquid aqueous phase bioreactions such as substrate uptake and product formation, and hydrocarbons and oxygen convection transport in the liquid-liquid and liquid-gas interphases respectively. This first model was capable to describe the biodegradation of Maya crude oil-paraffin mixture in a two no miscible phase bioreactor (BLL). Furthermore, the model allowed projecting under different biotic and abiotic conditions the BLL behavior. On the another hand, the BLL sequential operation during 20 cycles under oxygen limited conditions, improved the capability of the microbial consortium to biodegrade a Maya crude oil-paraffin mixture, leading to stable pattern of biodegradation from the fourth operation cycle of the bioreactor. The microbial consortium coming from the BLL, also was capable of biodegrade and mineralize without inhibition a total petroleum hydrocarbons mixture free of asphaltens. Power consumption and solid suspension studies in a sludge bioreactor (BLD) were carried out. The BLD was used to biodegrade the total petroleum hydrocarbons present in a weathered oilcontaminated soil. The studies showed that the flow descendent impeller with flat palettes and 45 degrees of inclination presented the better performance with respect to power consumption and effective solid suspension. Simultaneously studies of the oxygen convective transport in the BLD were carried out for soil loads until ten percent (w/v), being determined that the ranges in the impeller velocity (N, min-1) and air flow (Q, L min-1) that leading to the major values of the volumetric coefficient of oxygen transport (kLa h-1) were 425≤N≤445 and 5.25≤Q≤6.25.