REAC­TO­RES de le­cho flui­di­za­do elec­tro­quí­mi­cos mi­cro­bia­nos

PQ - - TRATAMIENTO DE AGUAS -

El pro­ce­so pa­ra im­ple­men­tar las tec­no­lo­gías elec­tro­quí­mi­cas mi­cro­bia­nas (METs) a es­ca­la real re­quie­re del es­tu­dio de nue­vos es­ce­na­rios que su­peren las li­mi­ta­cio­nes de los pro­ce­sos ca­ta­lí­ti­cos en bio­pe­lí­cu­las elec­tro­ac­ti­vas. En es­te con­tex­to, el equi­po de Bioe­lec­tro­gé­ne­sis de la Uni­ver­si­dad de Al­ca­lá e Im­dea Agua han di­se­ña­do un reac­tor de le­cho flui­di­za­do elec­tro­quí­mi­co mi­cro­biano (que sur­ge de la fu­sión de un reac­tor de le­cho flui­di­za­do clá­si­co con una MET) pa­ra es­ti­mu­lar la de­gra­da­ción de la ma­te­ria or­gá­ni­ca en aguas re­si­dua­les. S egún la Red Ma­dri­le­ña de Tra­ta­mien­tos Avan­za­dos pa­ra Aguas Re­si­dua­les con Con­ta­mi­nan­tes no Bio­de­gra­da­bles ( Rem­ta­va­res), el desa­rro­llo de es­te ti­po de con­fi­gu­ra­cio­nes per­mi­ti­ría ope­rar pro­to­ti­pos sen­ci­llos de ins­ta­lar a gran es­ca­la pa­ra eva­luar tec­no­lo­gías no­ve­do­sas co­mo las METs, que de otro mo­do es­ta­rían es­tan­ca­das en es­ca­la la­bo­ra­to­rio. Los dis­po­si­ti­vos em­plea­dos en es­tas tec­no­lo­gías se han con­ver­ti­do en sis­te­mas novedosos que re­fle­jan per­fec­ta­men­te el ne­xo agua-energía a cau­sa de sus atrac­ti­vas apli­ca­cio­nes en el tra­ta­mien­to de aguas re­si­dua­les y la desa­li­ni­za­ción del agua. Sin em­bar­go, la apli­ca­ción de las METs a es­ca­la real de­pen­de de la re­so­lu­ción de de­sa­fíos microbiológicos, tec­no­ló­gi­cos y eco­nó­mi­cos. Has­ta el mo­men­to, las METs se han en­ten­di­do co­mo sis­te­mas en los que la ca­tá­li­sis se en­cuen­tra lo­ca­li­za­da en la su­per­fi­cie del elec­tro­do, de­bi­do a la ne­ce­si­dad de ad­he­sión mi­cro­bia­na, for­man­do un bio­film so­bre él. La op­ti­mi­za­ción de es­ta in­ter­ac­ción es el prin­ci­pal re­to de es­ta dis­ci­pli­na, y se cen­tra prin­ci­pal­men­te en la me­jo­ra tan­to del di­se­ño del reac­tor y de los elec­tro­dos co­mo de los me­ca­nis­mos de trans­fe­ren­cia de elec­tró­ni­ca ex­tra­ce­lu­la­res. Im­por­tan­tes re­tos La elec­tro­quí­mi­ca mi­cro­bia­na o elec­tro­mi­cro­bio­lo­gía ha sur­gi­do co­mo una nue­va sub­dis­ci­pli­na de la bio­tec­no­lo­gía ba­sa­da en el es­tu­dio de las in­ter­ac­cio­nes en­tre mi­cro­or­ga­nis­mos y elec­tro­dos. Las pro­pie­da­des ca­ta­lí­ti­cas de es­tos mi­cro­or­ga­nis­mos son muy ver­sá­ti­les y una di­ver­si­dad de cam­pos pue­den be­ne­fi­ciar­se de ellas a tra­vés del desa­rro­llo de las tec­no­lo­gías elec­tro­quí­mi­cas mi­cro­bia­nas (MET). In­ter­ac­ción bac­te­ria-elec­tro­do El es­tu­dio de los fun­da­men­tos de la in­ter­ac­ción bac­te­ria- elec­tro­do y del pro­ce­so ca­ta­lí­ti­co son esen­cia­les pa­ra ma­xi­mi­zar el ren­di­mien­to de los sis­te­mas bio­elec­tro­quí­mi­cos. Geo­bac­ter sul­fu­rre­du­cens se con­si­de­ra el mi­cro­or­ga­nis­mo mo­de­lo pa­ra es­tu­diar la trans­fe­ren­cia ex­tra­ce­lu­lar di­rec­ta de elec­tro­nes a un elec­tro­do y, por tan­to,

LA APLI­CA­CIÓN DE LAS METS A ES­CA­LA REAL DE­PEN­DE DE LA RE­SO­LU­CIÓN DE DE­SA­FÍOS MICROBIOLÓGICOS, TEC­NO­LÓ­GI­COS Y ECO­NÓ­MI­COS

se uti­li­za am­plia­men­te en los en­sa­yos de prue­ba de con­cep­to. Es­ta bac­te­ria for­ma bio­pe­lí­cu­las de múl­ti­ples ca­pas so­bre los elec­tro­dos de las METs. Sin em­bar­go, Geo­bac­ter, en su há­bi­tat na­tu­ral, se en­cuen­tra en es­ta­do planc­tó­ni­co al res­pi­rar acep­to­res in­so­lu­bles de elec­tro­nes co­mo los óxi­dos de hie­rro. La con­fi­gu­ra­ción de bio­pe­lí­cu­la li­mi­ta el ren­di­mien­to de es­te ti­po de sis­te­mas de­bi­do a la res­tric­ción de la reac­ción a la in­ter­fa­se elec­tro­do­bio­pe­lí­cu­la, y ade­más pre­sen­ta pro­ble­mas aso­cia­dos con la ac­ti­vi­dad de las cé­lu­las dentro de la bio­pe­lí­cu­la. Con el ob­je­ti­vo de ma­xi­mi­zar el área su­per­fi­cial de elec­tro­do dis­po­ni­ble pa­ra los mi­cro­or­ga­nis­mos elec­tro­ac­ti­vos, y de me­jo­rar la ci­né­ti­ca de la bio­ca­tá­li­sis em­plean­do un en­torno con bue­nas pro­pie­da­des de mez­cla, el equi­po de Bioe­lec­tro­gé­ne­sis de la Uni­ver­si­dad de Al­ca­lá e Im­dea Agua ha di­se­ña­do un reac­tor de le­cho flui­di­za­do elec­tro­quí­mi­co mi­cro­biano (del in­glés, ME-FBR). Es­te pro­to­ti­po sur­ge de la fu­sión de un reac­tor de le­cho flui­di­za­do clá­si­co con una MET, de for­ma que un áno­do flui­di­za­do 3D, com­pues­to por mi­cro­par­tí­cu­las con­duc­to­ras de la elec­tri­ci­dad, sir­ve co­mo acep­tor fi­nal de elec­tro­nes pa­ra los

LOS DIS­PO­SI­TI­VOS EM­PLEA­DOS EN ES­TAS TEC­NO­LO­GÍAS SE HAN CON­VER­TI­DO EN SIS­TE­MAS NOVEDOSOS QUE RE­FLE­JAN PER­FEC­TA­MEN­TE EL NE­XO AGUA-ENERGÍA

mi­cro­or­ga­nis­mos elec­tro­ac­ti­vos co­mo Geo­bac­ter. El em­pleo de un elec­tro­do flui­di­za­do cons­ti­tu­ye un avan­ce con res­pec­to al uso de elec­tro­dos pla­nos y es­tá­ti­cos en los sis­te­mas MET pues­to que op­ti­mi­za el con­tac­to bac­te­ria- elec­tro­do- me­dio, me­jo­ra la trans­fe­ren­cia de ma­sa y ca­lor en ca­da una de es­tas in­ter­fa­ces y pro­por­cio­na un al­to área su­per­fi­cial de áno­do (au­men­to de su­per­fi­cie pa­ra la ca­tá­li­sis mi­cro­bia­na). Cu­rio­sa­men­te, se ha vis­to que es­te elec­tro­do flui­di­za­do for­ma­do por par­tí­cu­las en sus­pen­sión pue­de es­ti­mu­lar la in­ter­ac­ción bac­te­ria-elec­tro­do en es­ta­do planc­tó­ni­co de am­bos ele­men­tos. Es­to su­po­ne un nue­vo pa­ra­dig­ma en la trans­fe­ren­cia de elec­tro­nes di­rec­ta dentro del cam­po de las METs, en el cual bac­te­rias elec­tro­gé­ni­cas de for­ma in­di­vi­dual,

es­tán tran­si­to­ria y di­rec­ta­men­te co­nec­ta­das con una par­tí­cu­la de áno­do en sus­pen­sión. Apli­ca­ción en la in­dus­tria cer­ve­ce­ra Una de las prin­ci­pa­les apli­ca­cio­nes que tie­ne el ME- FBR es en el tra­ta­mien­to de la ma­te­ria or­gá­ni­ca de las aguas re­si­dua­les de la in­dus­tria agroa­li­men­ta­ria, en­tre ellas, las cer­ve­ce­ra, don­de los com­po­nen­tes or­gá­ni­cos de es­tos efluen­tes (prin­ci­pal­men­te azú­ca­res, al­mi­dón so­lu­ble, eta­nol y áci­dos gra­sos vo­lá­ti­les) son ge­ne­ral­men­te fá­cil­men­te bio­de­gra­da­bles. La di­ges­tión an­ae­ro­bia es tí­pi­ca­men­te la tec­no­lo­gía uti­li­za­da por las fá­bri­cas de cer­ve­za pa­ra eli­mi­nar la ma­te­ria or­gá­ni­ca, mien­tras que los nu­trien­tes se eli­mi­nan ge­ne­ral­men­te en un tan­que ai­rea­do. Tan­to la di­ges­tión an­ae­ro­bia co­mo los pro­ce­sos de elec­tro­gé­ne­sis mi­cro­bia­na com­par­ten ven­ta­jas co­mu­nes: ba­ja pro­duc­ción de bio­ma­sa, ba­jo con­su­mo de energía y la po­si­ble re­cu­pe­ra­ción de és­ta en for­ma de co­rrien­te u otros vec­to­res co­mo el hi­dró­geno o el me­tano. Sin em­bar­go, un fac­tor pro­ble­má­ti­co de los di­ges­to­res an­ae­ro­bios es la ba­ja es­ta­bi­li­dad del pro­ce­so bio­ló­gi­co. La pre­sen­cia de com­pues­tos in­hi­bi­do­res en las aguas re­si­dua­les y lo­dos ( amo­nía­co, sul­fu­ro, me­ta­les pe­sa­dos, com­pues­tos or­gá­ni­cos ha­lo­ge­na­dos), el len­to crecimiento y la al­ta sen­si­bi­li­dad de los me­ta­nó­ge­nos a di­fe­ren­tes agen­tes ex­ter­nos pue­den pro­du­cir una acu­mu­la­ción de los áci­dos gra­sos vo­lá­ti­les y una caí­da del pH. To­das es­tas vul­ne­ra­bi­li­da­des pue­den pro­du­cir que ba­jo un cam­bio en la car­ga, por ejem­plo, to­do el pro­ce­so de di­ges­tión an­ae­ro­bia fa­lle y por lo tan­to el reac­tor ne­ce­si­te ser de­te­ni­do. En es­te con­tex­to las METs y, con­cre­ta­men­te, los sis­te­mas bio­elec­tro­quí­mi­cos de le­cho flui­di­za­do, pre­ten­den ser una al­ter­na­ti­va o com­ple­men­to a los sis­te­mas de di­ges­tión an­ae­ro­bia pa­ra de­gra­dar la ma­te­ria or­gá­ni­ca de es­te ti­po de efluen­tes. Ade­más ofre­cen la po­si­bi­li­dad de re­cu­pe­rar y re­uti­li­zar sub­pro­duc­tos ge­ne­ra­dos en el pro­ce­so, co­mo por ejem­plo el hi­dró­geno pro­du­ci­do en los cá­to­dos a par­tir de la hi­dró­li­sis del agua. Tra­ta­mien­to com­ple­men­ta­rio Las METs han de­mos­tra­do que la bio­de­gra­da­ción de la ma­te­ria or­gá­ni­ca pue­de ser es­ti­mu­la­da cuan­do los mi­cro­or­ga­nis­mos elec­tro­ac­ti­vos en­cuen­tran un áno­do co­mo acep­tor ter­mi­nal de elec­tro­nes. Sin

em­bar­go, pa­ra tra­tar aguas re­si­dua­les de for­ma com­ple­ta es ne­ce­sa­rio apo­yar es­tos sis­te­mas con una tec­no­lo­gía com­ple­men­ta­ria ca­paz de eli­mi­nar los nu­trien­tes y/o ma­te­ria en sus­pen­sión. Una de las es­tra­te­gias que pue­den com­ple­men­tar las METs es la in­te­gra­ción de las mis­mas con un pre-tra­ta­mien­to de elec­tro­coa­gu­la­ción ( EC) con el fin de eli­mi­nar los nu­trien­tes y la ma­te­ria in­so­lu­ble. De es­ta for­ma se se­pa­ra de la fa­se de bio­de­gra­da­ción de ma­te­ria or­gá­ni­ca so­lu­ble con la de la ma­te­ria en sus­pen­sión que mu­chos tra­ta­mien­to bio­ló­gi­cos son in­ca­pa­ces de eli­mi­nar. En la eta­pa de elec­tro­coa­gu­la­ción se pue­de con­tro­lar la con­cen­tra­ción de nu­trien­tes en el efluen­te me­dian­te la va­ria­ción de pa­rá­me­tros co­mo la den­si­dad de co­rrien­te apli­ca­da o el tiem­po de reac­ción en la EC. La in­te­gra­ción de es­tos dos ti­pos de téc­ni­cas elec­tro­quí­mi­cas (EC y un ME-FBR) re­sul­ta en una es­tra­te­gia efi­caz pa­ra el tra­ta­mien­to com­ple­to de aguas re­si­dua­les in­dus­tria­les. Pro­yec­to Ans­wer Ac­tual­men­te, a tra­vés del pro­yec­to eu­ro­peo Ans­wer (Ad­van­ced Nu­trient So­lu­tions With Elec­tro­che­mi­cal Re­co­very) del pro­gra­ma LI­FE En­vi­ron­ment and Re­sour­ce Ef­fi­ciency, se es­tá desa­rro­llan­do, a es­ca­la pi­lo­to, un sis­te­ma de tra­ta­mien­to de aguas de la in­dus­tria cer­ve­ce­ra ba­sa­do en la in­te­gra­ción de la EC con un ME- FBR. Es­te pro­yec­to cuen­ta co­mo so­cios con la cer­ve­ce­ra Mahou (coor­di­na­do­ra), la em­pre­sa de aguas FCC Aqua­lia, la Uni­ver­si­dad de Al­ca­lá y la em­pre­sa de re­ci­cla­do de me­tal Re­cu­pe­ra­cio­nes To­lón. El ob­je­ti­vo del pro­yec­to es la de­mos­tra­ción téc­ni­ca y la via­bi­li­dad eco­nó­mi­ca de un sis­te­ma pa­ra el tra­ta­mien­to del agua re­si­dual de la in­dus­tria cer­ve­ce­ra con re­cu­pe­ra­ción de re­cur­sos. El pro­yec­to se desa­rro­lla­rá en una de las plan­tas cer­ve­ce­ras más gran­des de Eu­ro­pa (Alo­ve­ra, Mahou), en un sis­te­ma de de­mos­tra­ción que tra­ta­rá agua real de di­cha plan­ta. Uno de los as­pec­tos más atrac­ti­vos del Ans­wer es la vin­cu­la­ción del tán­dem elec­tro­coa­gu­la­ción-MET con el ne­xo aguae­ner­gía y con el con­cep­to de energía cir­cu­lar, uno de los pi­la­res cen­tra­les de la es­tra­te­gia eco­nó­mi­ca eu­ro­pea. Si bien la elec­tro­coa­gu­la­ción es una téc­ni­ca co­no­ci­da des­de ha­ce más de un si­glo, el cam­po de la elec­tro­quí­mi­ca mi­cro­bia­na se lle­va ex­plo­ran­do des­de ha­ce ape­nas unos años. Y es, por pri­me­ra vez, en el pro­yec­to Ans­wer don­de es­tas dos tec­no­lo­gías con­flu­yen, aso­cián­do­se pa­ra crear un con­cep­to in­no­va­dor en el tra­ta­mien­to de las aguas re­si­dua­les in­dus­tria­les mi­ni­mi­zan­do el con­su­mo de energía y ma­xi­mi­zan­do la re­cu­pe­ra­ción de re­cur­sos.

Es­que­ma del tra­ta­mien­to del agua re­si­dual de una in­dus­tria cer­ve­ce­ra pro­pues­to ba­sa­do en la in­te­gra­ción de la EC con un ME-FBR.

Una de las prin­ci­pa­les apli­ca­cio­nes que tie­ne el ME-FBR es en tra­ta­mien­to de la ma­te­ria or­gá­ni­ca de aguas re­si­dua­les de la in­dus­tria agroa­li­men­ta­ria.

Reac­tor de le­cho flui­di­za­do elec­tro­quí­mi­co mi­cro­biano (ME-FBR) pa­ra la de­gra­da­ción bio­elec­tro­quí­mi­ca de ma­te­ria or­gá­ni­ca de aguas re­si­dua­les.

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