USO DE BIORREACTORES PARA
CONTROLAR LA
CONTAMINACIÓN DEL AIRE
INTRODUCCIÓN
Los Biorreactores utilizan un proceso natural tan antiguo
como la vida misma. Para poder Sobrevivir, cualquier ser viviente debe tener
una fuente de energía (alimento) y agua (humedad). La manera en que se usan estas necesidades
para eliminar contaminantes de corrientes de aire contaminadas es el tema de
este reporte.
¿Qué es la biorreacción?
En la contaminación del aire, la biorreacción simplemente es
el uso de microbios para consumir contaminantes de una corriente de aire
contaminado. Casi cualquier sustancia, con la ayuda de microbios, se
descompondrá (desintegrará), dado el medio ambiente apropiado. Esto es especialmente
cierto para los compuestos orgánicos. Sin embargo, ciertos microbios también pueden
consumir compuestos inorgánicos, tales como el sulfuro de hidrógeno y los
óxidos de nitrógeno.
¿Por qué es importante la biorreacción?
En pocas palabras: ¡SU COSTO! El costo de capital de una instalación
por biorreacción es por lo general una mera fracción del costo de una
instalación de un dispositivo de control
Tradicional. Los costos operativos también son generalmente
considerablemente menores que los costos
de la tecnología tradicional. Las unidades de control térmico y catalítico
consumen grandes volúmenes de combustible costoso. Los Biorreactores utilizan
únicamente cantidades pequeñas de energía eléctrica para conducir dos o tres
motores pequeños. Normalmente, los Biorreactores no requieren mano de obra a
tiempo completo, y los únicos suministros operativos necesarios son pequeñas
cantidades de macronutrientes. Los biofiltros, el tipo de biorreactor más
común, por lo general emplean lechos (medios sobre los cuales viven los
microbios) fabricados de materiales orgánicos que ocurren naturalmente (materiales
cortados de parques y jardines, turba, corteza, astillas de madera o abono) que
son consumidos lentamente por la biomasa (es decir, microbios). Estos lechos
orgánicos por lo general pueden suministrar la mayoría de los macronutrientes
necesarios para sustentar la biomasa. Los lechos se deben reemplazar cada 2 a 5
años, dependiendo de la opción de material del lecho.
La biorreacción es un proceso "verde," mientras
que los enfoques tradicionales no lo son.
La combustión de cualquier combustible generará óxidos de
nitrógeno (NOx), materia particulada, dióxido de azufre (SO2) y monóxido de
carbono (CO). Los Biorreactores por lo general no generan estos contaminantes
ni ningún contaminante peligroso Los productos de una biorreacción que consume
hidrocarburos son agua y dióxido de carbono (CO2).
¿Cómo funcionan
los Biorreactores?
Los biorreactores
se han usado por centenares de años para tratar aguas cloacales y otros desechos
olorosos transportados por el agua. Hace aproximadamente sesenta años, los
europeos comenzaron a usar los biorreactores para tratar el aire contaminado
(olores), en particular, las emisiones provenientes de las plantas de
tratamiento de aguas cloacales y las plantas extractoras de grasa. El proceso
inicial utiliza un dispositivo denominado "biofiltro." Un biofiltro es por lo general una caja
rectangular que contiene un pleno encerrado en al fondo, un bastidor de soporte
arriba del pleno, y varios pies de medios (lecho) arriba del bastidor del
soporte.
Se utiliza un ventilador para recoger el aire contaminado de
un edificio o proceso. Si el aire es demasiado caliente, demasiado frío,
demasiado seco o demasiado sucio (con sólidos suspendidos), podría ser
necesario pre tratar la corriente de aire contaminada para obtener las condiciones
óptimas antes de introducirla al biorreactor. El aire contaminado se transmite
a un pleno por medio de un conducto. A medida que fluyen las emisiones a través
de los medios del lecho, los contaminantes son absorbidos por la humedad en los
medios del lecho, entrando en contacto con los microbios. Los microbios reducen las concentraciones
de contaminante al consumir y metabolizar los contaminantes. Durante el proceso
de digestión, las enzimas en los microbios convierten los compuestos en
energía, CO2 y agua.
El material no digerible queda como remanente y se convierte en residuo.
FACTORES QUE AFECTAN EL
RENDIMIENTO:
VARIABLES Y LIMITACIONES
Dado que los biorreactores utilizan cultivos vivos, se ven
afectados por muchas variables en su medio ambiente. A continuación se indican
las variables y limitaciones que afectan el rendimiento de todos los
biorreactores, independientemente del tipo de proceso.
Temperatura
Todas las variables discutidas aquí son importantes. Sin
embargo, la variable más importante que afecta las operaciones de un
biorreactor probablemente es la temperatura. Un chorro de aire caliente puede
matar totalmente una biomasa con mayor rapidez que cualquier otro accidente. La
mayoría de los microbios puede sobrevivir y florecer en un rango de temperaturas
de 60 a 105°F (30 a 41°C) (Ref. 3). Es importante monitorear la temperatura del
lecho por lo menos una vez al día, pero cada ocho horas sería incluso más
seguro. Una alarma de alta temperatura en la entrada de las emisiones también
es una buena precaución de seguridad. Cuando las emisiones provenientes de un
proceso son demasiado calientes, los operadores con frecuencia hacen pasar las
emisiones calientes a través de un humidificador que enfría los gases por medio
del enfriamiento evaporativo. Éste es el método más económico disponible para
enfriar las emisiones de 200 a 300°F (93 a 149°C) a temperaturas de menos de 105°F
(41°C). Además del efecto de enfriamiento, este proceso también aumenta el
contenido de humedad (humidifica la corriente de emisiones), un efecto
colateral deseable.
Humedad
La segunda variable más crítica es la humedad del lecho. Los
microbios necesitan humedad para sobrevivir y la humedad crea la biopelícula que
elimina (absorbe) contaminantes de una corriente de aire, de modo que puedan
ser asimilados por los microbios. Los problemas de baja humedad pueden
corregirse al hacer pasar las emisiones a través de un humidificador. Al tener
emisiones próximas a la saturación (100 % de humedad relativa) resolverán la
mayoría de los problemas de lecho seco. No es necesario que los humidificadores
sean elegantes recipientes de proceso de acero inoxidable, comprados en una
tienda. Pueden construirse de un tanque viejo sobrante de plástico reforzado
con fibra, o bien se puede construir de paneles de fibra de vidrio con una
estructura de madera. El diseño debería incluir varias filas de tuberías cerca
de la parte superior del recipiente, con cabezales aspersores instalados todo a
lo largo, y válvulas de encendido/apagado en cada tramo de tubería para
proporcionar algo de control de la humedad.
Los biofiltros por lo general se operan húmedos, sin agua
corriente ni estancada. Una baja humedad, durante períodos breves, no matará a
los microbios, pero sí reducirá en gran medida la eficiencia. La eficiencia
será menos que la óptima mientras los microbios se recuperan (reaclimatan)
después de un período de condiciones de lecho seco.
Cuidado y alimentación
El nitrógeno es un nutriente esencial para el crecimiento
microbiano. Los microbios utilizan el nitrógeno para construir las paredes
celulares (las cuales contienen aproximadamente el 15 por ciento de nitrógeno)
y el nitrógeno es un constituyente principal de proteínas y ácidos nucleicos.
Los microbios son capaces de utilizar todas las formas solubles de nitrógeno,
pero no todo el nitrógeno está disponible para su reutilización. Algunos
productos de nitrógeno provenientes de los procesos de digestión son gases
(óxidos de nitrógeno y amoniaco), y pequeñas cantidades de éstos saldrán del proceso
junto con las emisiones. No obstante ello, la mayor parte de los vapores que
contienen nitrógeno se reabsorbe en el líquido y es consumido por los microbios.
Además, algunos productos de nitrógeno forman compuestos solubles en agua, y se
eliminan del sistema por lixiviación con agua condensante.
Otros macronutrientes esenciales incluyen el fósforo,
potasio, azufre, magnesio, calcio, sodio y hierro. Puede agregarse nitrógeno,
fósforo y potasio (el código NPK en las etiquetas de los fertilizantes) al
incorporar fertilizantes de uso agrícola en los medios del lecho. Pueden
adquirirse macronutrientes menos solubles, tales como el magnesio, calcio,
sodio y hierro, en pequeñas cantidades en tiendas de venta de forraje y
semillas. El contenido de nutrientes de un lecho.
Acidez
La mayoría de los biorreactores funciona mejor cuando el pH
del lecho es cercano a 7, o neutro. Algunos contaminantes forman ácidos al descomponerse.
Algunos ejemplos de estos compuestos son: sulfuro de hidrógeno, compuestos
orgánicos de azufre, y halógenos (cloro, flúor, bromo y yodo). La producción de
ácidos con el correr del tiempo disminuirá el pH y finalmente destruirá los
microbios. Si un proceso emite contaminantes que producen ácidos, se deberá desarrollar
un plan para neutralizar estos ácidos.
PROCESOS DEL BIORREACTOR
A partir del diseño básico del biofiltro, algunos procesos
nuevos han evolucionado para convertirse en ambiental y comercialmente viables.
Estos nuevos procesos se dirigen a situaciones que no se han afrontado de
manera adecuada en el diseño básico de un biofiltro, tales como la gran
cantidad de espacio requerido, los ambientes ácidos (control del pH), los 8 contaminantes que requieren tiempos de
asimilación más prolongados y la alimentación de los nutrientes.
