Aplicación de biopelículas en la industria

Mientras que los biorreactores de membrana filtran los flóculos en el lodo activado , los reactores de biopelícula de membrana inyectan gases —como O₂ _, H₂ _y CH₄— _para promover el crecimiento de la biopelícula en la superficie de membranas hidrofóbicas. La biopelícula crece en una superficie fija en lugar de en suspensión. Estos reactores tienen el potencial de eliminar eficazmente los microcontaminantes de las aguas residuales. Esto incluye sólidos en suspensión, patógenos y compuestos orgánicos que se encuentran cada vez con mayor frecuencia en las aguas residuales agrícolas, industriales, hospitalarias y domésticas. Algunos desafíos de esta tecnología incluyen la permeabilidad de la membrana, la obstrucción de la membrana y la eliminación de antibióticos. ^{[ 12 ]}

El reactor de biopelícula aireada por membrana (MABR) es una tecnología de tratamiento biológico de aguas residuales diseñada para abordar las limitaciones de aireación en los sistemas de tratamiento biológico convencionales. Esta tecnología emplea membranas permeables a los gases para suministrar oxígeno directamente a las biopelículas que se desarrollan en la superficie de la membrana. Los MABR logran una transferencia de oxígeno sin burbujas con tasas de transferencia mejoradas, lo que resulta en reducciones significativas en el consumo de energía y los costos operativos. Una característica distintiva de los MABR es su mecanismo de contradifusión, que genera arquitecturas de biopelícula estratificadas que permiten procesos simultáneos de nitrificación y desnitrificación dentro de una sola unidad de reactor. ^{[ 13 ]} Durante su funcionamiento, el amoníaco se oxida a aniones nitrato a través de la nitrificación , mientras que la materia orgánica se oxida a dióxido de carbono . En condiciones anóxicas, el nitrato se reduce aún más a nitrógeno gaseoso a través de la desnitrificación , lo que resulta en la eliminación de nitrógeno de las aguas residuales. ^{[ 14 ]} Este proceso permite la eliminación de impurezas orgánicas, desde la entrada líquida.

Los MABR pueden reducir la demanda de energía de aireación y el espacio físico requerido en comparación con los sistemas convencionales de lodos activados. Sin embargo, los MABR son susceptibles a la obstrucción durante su funcionamiento. Si los caudales de los donantes y aceptores de electrones no están equilibrados, puede producirse una reducción de sulfato, generando sulfuro de hidrógeno , que puede difundirse en las capas aeróbicas, reduciendo la producción de aniones nitrato. Si hay iones de hierro presentes en la corriente líquida, puede formarse sulfuro de hierro , contribuyendo a la obstrucción al recubrir la biopelícula. ^{[ 14 ]} Para gestionar adecuadamente las concentraciones de entrada y salida de los donantes y aceptores de electrones al MABR, se requiere un sistema de control . ^{[ 15 ]}

La producción de productos lácteos es un proceso que consume mucha agua y genera grandes cantidades de aguas residuales provenientes del lavado de equipos y de subproductos. En particular, estas aguas residuales contienen muchas partículas suspendidas, coloidales y disueltas, incluyendo lactosa , proteínas y lípidos. Un método para tratar las aguas residuales de la industria láctea es el uso de reactores de biopelícula anaeróbica. La biopelícula crece sobre un material de soporte que puede estar hecho de conchas marinas, piedras naturales, carbón vegetal y materiales plásticos, entre otras fuentes. Sin embargo, estos filtros anaeróbicos pueden obstruirse debido al alto contenido de grasa de las aguas residuales de la industria láctea. Para combatir la acumulación de ácidos grasos volátiles en estos filtros, los investigadores han estudiado el pretratamiento de las aguas residuales. ^{[ 16 ]}

En los biorreactores de lecho móvil , las biopelículas crecen en pequeños soportes de plástico o esponja que circulan en los biorreactores mediante aireación o agitación mecánica. Esto permite un alto contacto entre los contaminantes en las aguas residuales y la adición de más soportes puede aumentar la tasa de biodegradación . Sin embargo, esto también requiere un aumento en la agitación o aireación y, por lo tanto, un aumento en el consumo de energía. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Esta tecnología en particular se ha utilizado en la industria como una alternativa a los procesos convencionales de lodos activados para eliminar materia orgánica y nutrientes, como carbono, nitrógeno y fósforo. ^{[ 19 ]}

Los reactores de biopelícula de algas pueden utilizarse para el tratamiento de aguas residuales y la producción de biocombustibles . Tradicionalmente, la producción de biocombustibles a partir de algas tiene altos costos operativos, pero puede combinarse con el tratamiento de aguas residuales para ser más económica. Las altas concentraciones de nitrógeno y fosfato que suelen encontrarse en las aguas residuales son excelentes nutrientes para las microalgas . A medida que las microalgas proliferan, degradan los contaminantes orgánicos en las aguas residuales. Estas microalgas pueden luego cosecharse y utilizarse en la producción de biocombustibles. ^{[ 20 ]} Para el tratamiento de aguas residuales municipales , estos reactores pueden ser verticales, horizontales, de flujo continuo o rotatorios. La biopelícula, compuesta por células de microalgas, crece en soportes hechos de nailon, polietileno , algodón u otros materiales. En términos de producción de biocombustibles, los reactores de biopelícula de algas son una alternativa a los biorreactores de algas actuales o a los estanques de canal abierto donde la biomasa de algas crece en suspensión. Potencialmente, aumenta la densidad del cultivo celular , utilizando así menos agua y tierra. ^{[ 20 ]} Todavía existen desafíos para controlar las condiciones que optimicen el crecimiento de las microalgas y la posible contaminación de las aguas residuales con patógenos. La cantidad de luz, el suministro de CO₂ _y la eliminación de O₂ _también son importantes para promover el crecimiento de las microalgas, ya que este depende de la fotosíntesis . Las aguas residuales también pueden requerir un pretratamiento, por ejemplo, mediante la adición de otros nutrientes como carbono y silicio. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Los sistemas bioelectroquímicos actuales para el tratamiento de aguas residuales complejas (por ejemplo, que contienen colorantes, antibióticos y metales pesados) mediante la inducción de reacciones redox pueden ser lentos y presentar una transferencia de masa limitada. Los electrodos pueden corroerse, dependiendo de la composición del agua, y la acumulación de sólidos puede provocar bioincrustaciones , reduciendo así la eficiencia del electrodo. Los reactores de electrodos de biopelícula 3D son una tecnología novedosa que incorpora partículas conductoras entre los electrodos para aumentar el contacto de los microorganismos con los contaminantes. Esto resulta en una mayor transferencia de masa y promueve la electrocatálisis, donde los microbios en los electrodos degradan los contaminantes en el agua. Aún no está claro el costo de esta tecnología ni cómo puede manejar las diferentes condiciones de las aguas residuales (por ejemplo, conductividad eléctrica, concentración de sal, pH). ^{[ 22 ]}

Los microorganismos eléctricamente activos crean biopelículas electroquímicamente activas (EAB) que se han utilizado en pilas de combustible microbianas para generar una corriente eléctrica. ^{[ 25 ]} Estas pilas de combustible también se han combinado con el tratamiento de aguas residuales aprovechando los numerosos componentes orgánicos biodegradables presentes en ellas. Se ha considerado como una alternativa a los métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales, o como un paso previo al reactor de membrana , o para reducir la cantidad de lodos sólidos producidos. Los investigadores han estudiado el tratamiento de aguas residuales de la industria láctea, de cadáveres de animales, de cervecerías, de bodegas y domésticas, entre otras, con pilas de combustible microbianas . Sin embargo, esta tecnología aún no ha tenido un éxito total a gran escala debido a la baja densidad de potencia y a la fluctuación de la temperatura y composición de las aguas residuales reales. ^{[ 26 ]} También se ha estudiado la producción de hidrógeno mediante EAB, que actualmente se produce principalmente a partir de combustibles fósiles no renovables . En la nueva tecnología de celdas de electrólisis microbiana , las EAB en el ánodo descomponen los sustratos orgánicos en CO ₂ , electrones y protones. Además, los EAB se han utilizado para la síntesis de nanopartículas metálicas y compuestos semiconductores metálicos como alternativa a los métodos químicos tradicionales. ^{[ 25 ]}