Caracterización hidrodinámica de un biorreactor de lecho escurrido empleado para la eliminación biológica de xilenos - Trejo Aguilar, Gloria Maribel (Universidad Autónoma Metropolitana, 2012)
En este documento se presentan los resultados del comportamiento hidrodinámico y de eliminación biológica de los isómeros de xilenos en dos birreactores de lecho escurrido: BLE-1 y BLE-2. En el sistema BLE-1 se estudió el efecto del incremento del flujo del líquido como una estrategia para mejorar la capacidad de eliminación de los xilenos, midiéndose su efecto sobre las variables hidrodinámicas: caída de presión, tiempo de residencia promedio, volúmenes de retención dinámico del líquido y eficiencia de mojado, mientras que la eliminación biológica fue medida a través de la capacidad de eliminación, de la eficiencia de eliminación y del porcentaje de mineralización de los isómeros de xileno. El sistema BLE-2 permitió determinar las máximas capacidades de eliminación de los xilenos operando con y sin limitaciones de nitrógeno. En él se estudio el comportamiento bajo operación intermitente del flujo de líquido a fin de evaluar la eliminación de xilenos a través del contacto directo gas-biopelícula. La reducción de la fracción vacía del lecho como resultado del incremento del espesor de la biopelícula, fue una variable de cambio a lo largo de la operación del BLE que estuvo íntimamente relacionado con el comportamiento de las variables de estudio hidrodinámicas y de eliminación biológica. A través del análisis de las curvas de distribución de tiempos de residencia y de su ajuste con los modelos de dispersión axial y modelo de zonas estancadas y dinámicas (MDA y MZED respectivamente) se comprobó que la fase líquida no puede ser descrita con el modelo de flujo pistón, Se demostró a través del coeficiente de correlación de Pearson, que el MZED es más adecuado que el MDA para la estimación de los coeficientes de dispersión. Por otro lado los coeficientes de dispersión estimados, son de 24 a 140 veces más grandes que la difusión molecular. Se determinó gráficamente que los valores del inverso del número de Pe y el número de Re modificados (en términos del diámetro de partícula) determinados en biorreactores de lecho escurrido, con anillos Pall de 5/8 y 1 pulgada de diámetro como material de soporte, son del mismo orden magnitud que los reportados para lechos empacados de reactores de lecho escurrido químicos. El análisis de las curvas de DTR permitió concluir que la presencia de la biopelícula y su aumento en el tiempo en el BLE produce efectos catastróficos sobre la estructura del lecho, favoreciéndose la formación de canales preferenciales y de zonas muertas donde quedan atrapados las fases móviles modificándose el patrón de flujo de las mismas.; Las variables hidrodinámicas: volumen de retención dinámico del líquido, eficiencia de mojado y tiempo de residencia medio aumentan cuando se incrementa el flujo de líquido hasta que la fracción vacía alcanza un valor de 0.69, por debajo de éste valor la tendencia de las variables hidrodinámicas señaladas cambia. Las caídas de presión muestran un aumento con el incremento del flujo del líquido pero también con la reducción de la fracción vacía. En éste caso la caída de presión en un inicio aumenta lentamente y posteriormente cambia rápidamente ajustándose su comportamiento a un modelo exponencial. La caracterización de eliminación biológica mostró que la capacidad de eliminación de los xilenos fue favorecida con el incremento del flujo de líquido cuando la fracción vacía fue de 0.80, a fracciones vacías menores, el efecto no fue significativo. El mejor rendimiento de BLE-1 se obtuvo a una fracción vacía del lecho de 0.80, alcanzándose una máxima capacidad de eliminación de xilenos igual a 33 g/m3 h con un flujo másico del líquido igual a 14.1 kg/m2 s. Estadísticamente no fue posible establecer un orden de degradación preferencial para los isómeros de xileno. Se determinó que la biopelícula formada durante la operación del BLE-1 contenía un 98 % de agua, lo cual sugiere que la disminución de la capacidad de eliminación observada podría estar directamente afectada por un incremento de la resistencia a la transferencia de masa gas-líquido y a la presencia de una baja concentración de biomasa El BLE-2 que fue operado bajo condiciones intermitentes y continuas del flujo de líquido y bajo diferentes cargas de alimentación, mostró un mejor desempeño que el BLE-1 pudiéndose operar casi el doble de tiempo. Por otro lado bajo operación intermitente se obtuvo una capacidad de eliminación por arriba de la máxima capacidad de eliminación obtenida bajo limitación de nitrógeno en operación continua de la fase líquida. Comparando ambos modos de operación (continuo e intermitente), para una fracción vacía de 0.69, la capacidad de eliminación así como la y eficiencia de remoción fue mejor bajo operación intermitente, lo cual permite suponer la eliminación de xilenos a través del transporte directo gas-biopelícula puede ser más importante que el transporte gas-líquido-biopelícula y que la resistencia a la transferencia de masa gas-biopelícula puede ser considerada despreciable. Las características morfológicas de las biopelículas formadas bajo operación intermitente en el BLE-2 fueron más firmes y continuas y con menor porcentaje de agua que las observadas durante la operación del BLE-1, lo cual impacta en un mejor control de la acumulación de biopelícula y por lo tanto una mayor vida de operación del biorreactor.