SISTEMA DE INGENIERÍA PARA LA DEGRADACIÓN BIOLÓGICA

SISTEMA DE INGENIERÍA PARA LA
DEGRADACIÓN BIOLÓGICA DE ARI´s
CONTAMINADAS CON METALES PESADOS
UTILIZANDO CEPAS NATIVAS DE Aspergillus sp.
Comisión Organizadora de PERUMIN – 31 Convención Minera
Convocatoria de Trabajos Técnicos
Comité de Evaluación: Medio Ambiente / Environment
Autores:
Ing. Francisco Javier Roque Rodríguez
Eliana Cecilia Calle Cardeña
Grecia Estephany Barriga Montalvo
Cynthia Joseline Hancco Chire
SISTEMA DE INGENIERIA PARA LA DEGRADACION BIOLÓGICA
DE ARI’s CONTAMINADAS CON METALES PESADOS
UTILIZANDO CEPAS NATIVAS DE Aspergillus sp.
ENGINEERING SYSTEM FOR BIOLOGICAL DEGRADATION OF
IWW's CONTAMINATED WITH HEAVY METALS USING Aspergillus
sp. NATIVE STRAINS
Francisco J. Roque1; Eliana C. Calle2 / Grecia E. Barriga2 / Cynthia J. Hancco2.
1
Docente Asociado P.P.Ingeniería Biotecnológica. Facultad de Ciencias Farmaceúticas, Bioquímica y Biotecnológicas. UCSMArequipa, Docente Post.grado Especialidad Ingeniería y gestión Ambiental. Facultad de Ingeniería de Procesos. UNSA-Arequipa;
2
Estudiante X Semestre del P.P. Ingeniería Biotecnológica. Facultad de Ciencias Farmaceúticas, Bioquímica y Biotecnológicas. UCSMArequipa
RESUMEN
Se aislaron y caracterizaron cuatro diferentes cepas nativas de Aspergillus sp. (A. níger, A.
flavus, A. fumigatus y A. spp.) a partir de desechos orgánicos cítricos en diferentes grados
de descomposición fungal y mantuvieron un óptimo crecimiento en medio de cultivo agar
Sabouraud en períodos de mantenimiento celular de 3 a 5 días termostatizados a una
temperatura de 30±0,1°C. Utilizando un CSTR de 1 l. de capacidad en operación
discontinua (batch) se determinó la cinética fungal y parametrización de cada una de ellas
utilizando para su completa adaptación caldo peptonado a 100 rpm, 1,5 vvm aire estéril y
pH 5,5. El modelo peletizado permitió determinar que la cepa A. fumigatus fue la que
reportó la mayor cinética de crecimiento sobre sus co-especies determinándose un γ de
0,0017 g.0,3333 .s-1 que resultó ser un 60% mayor que aquellas obtenidas de A. níger y A.
flavus (0,00067 g.0,3333 .s-1 ) y un 40% mayor a la obtenida de A. spp (0,0010 g.0,3333 .s-1)
definiendo de esta manera a esta cepa como la de mejor comportamiento frente a su
aumento de biomasa. Debido a la fuerte demanda de oxígeno de cada una de esta cepas, ya
que resultaron ser aerobias estrictas, se determinó su velocidad de transferencia de oxígeno
al medio de crecimiento (OTR, Oxygen Transfer Rate) y de consumo por el micelio (OUR,
Oxygen Up-take Rate) para establecer la etapa de gobierno de aumento de biomasa que se
consideró de interés para el trabajo. Los valores obtenidos de OTR variaron entre 0,30 y
0,40 mg.O2.l-1.h-1 y los de OUR entre 6,00 y 18,00 mg.O2.l-1.h-1 para todas las cepas
analizadas con lo que el suministro de aire debió ser continuo y permanente. Estos valores
permitieron establecer que la etapa dominante fue la cinética de aumento de biomasa
fungal.
Determinada esta capacidad de crecimiento, se utilizó un Agua Residual Industrial (ARI)
obtenida de una empresa local, para adaptar estas cepas a un contenido elevado de metales
pesados. La caracterización de las ARI´s utilizadas, por voltametría, mostró un contenido
de Cu(II) de 13,6272 ppm; 0,9833 ppm de Zn(II); 0,0124 ppm de Cd(II) y 0,9114 ppm de
Pb(II) demostrando así su alta contaminación por fuentes antropogénicas que resultaron
deseables de ser bioremediadas para reducir el impacto ambiental que ocasiona su libre
descarga al medioambiente.
La configuración y uso de bioreactores con células inmovilizadas continuos resultó ser la
mejor alternativa para conformar sistemas de bioremediación de estos metales pesados
utilizando las ARI´s obtenidas anteriormente caracterizadas como altamente polutas. El
reactor biológico utilizado para este fin se denómino “pulsante” (RBP) en el cual se evaluó
su tiempo de retención hidraúlica (TRH; 8,22 h.) y la biodegradación conseguida resultó ser
del orden del 97,1% y 8,4 % para Cu y Pb utilizando A.níger; 85,2% y 35,3% utilizando
A.flavus; 88,8% y 5,0% utilizando A. fumigatus y del orden del 84,2% y 24,8% para A.
spp., respectivamente con lo que se determinó que todas las cepas fungales nativas
resultaron afines a estos dos metales pesados reportando ninguna degradación significativa
con el Zn y Cd. El diseño final del sistema de ingeniería para la degradacion biológica de
ARI’s contaminadas con metales pesados utilizando estas cepas fungales nativas permitió
la construcción de una secuencia de cuatro reactores biológicos piloto PFTR (Plug Flow
Tubular Reactor) con sistema pulsante (RBP) de 4,80 m. de altura y 4 cm. de diámetro en
SS-316L enchaquetado para su termostatización y rellenos
con cada una de las cepas fungales aisladas, caracterizadas
y adaptadas entrampadas en alginato de calcio (Figura
adjunta). La operación continua de este sistema (30°C; 8,22
h. TRH) permitió la degradación de Cu(II) en un 97,21 % y
de Pb(II) en un 8,10% de las ARI´s alimentadas
confirmando su escasa o nula afinidad por el Cd y Zn.
Palabras clave: A. níger, A. flavus, A. fumigatus, A. spp., cinética fungal, agua residual industrial (ARI),
sistema de ingeniería para degradación biológica, reactor biológico pulsante (RBP), reactor tubular flujo
pistón (PFTR).
ABSTRACT
Four different native strains of Aspergillus sp. (A. niger, A. flavus, A. fumigatus and A.
spp.) were isolated and characterized from organic waste derived of citrus with different
degrees of decomposition and maintained optimal fungal growth on agar Sabouraud culture
medium in maintenance periods of 3 to 5 days thermostated at temperature of 30 ± 0.1 ° C.
Using a 1-liter CSTR capacity in discontinuous operation (batch) was determined fungal
kinetics and parameterizing each for complete adaptation using peptonized broth at 100
rpm, 1.5 vvm and pH 5.5 sterile air. The pelletized model allowed to determine that the
strain A. fumigatus was the one who reported the highest growth kinetics of their cospecies determined a 0.0017 γ G.0, 3333. s-1 which was a 60% higher than those obtained
from A. and A. niger flavus (0.00067 G.0, 3333. s-1) and 40% greater than that obtained
from A. spp (0.0010 G.0, 3333. s-1) thus defining this strain as the best behavior in the
increaseaofbbiomass.
Due to the strong demand for oxygen in each of the strains, which proved to be strict
aerobes, determined its oxygen transfer rate to the growth medium (OTR, Oxygen Transfer
Rate) and consumption by the mycelium (OUR, Oxygen Up-take rate) to set the stage for
increased biomass government that was considered of interest for the job. OTR values
obtained ranged between 0.30 and 0.40 mg.O2.l-1.h-1 and those between 6.00 and 18.00
OUR mg.O2.l-1.h-1 for all strains tested so that the air supply must be continuous and
permanent. These values are allowed to establish that the dominant phase kinetics was
increasedafungalnbiomass.
Determined this growth capacity, we used an industrial wastewater (ARI) obtained from a
local company, to adapt these strains to a high content of heavy metals. The
characterization of the ARI's used for voltammetry showed a content of Cu (II) 13.6272
ppm 0.9833 ppm of Zn (II), 0.0124 ppm Cd (II) and 0.9114 ppm Pb (II) demonstrating its
high pollution resulting from anthropogenic sources bioremediadas be desirable to reduce
the environmental impact caused by their free download to the environment.
The setup and use of continuous bioreactors with immobilized cells was found to be the
best alternative for bioremediation systems conform to these heavy metals using ARI's
obtained anteriorment characterized as highly polutas. The bioreactor used for this purpose
is called "pulsing" (RBP) in which assessed the hydraulic retention time (HRT; 8.22 h.)
And biodegradation was achieved on the order of 97.1% and 8, 4% for Cu and Pb A.niger
using, 85.2% and 35.3% using A. flavus, 88.8% and 5.0% using A. fumigatus and the order
of 84.2% and 24.8% for A. spp. respectively thereby determined that all native fungal
strains were similar to these two heavy metals reported no significant degradation in Zn and
Cd.
The final system design engineering for the biological degradation of ARI's contaminated
with heavy metals using these native fungal strains allowed the construction of a sequence
of four pilot bioreactors PFTR (Plug Flow Tubular Reactor) with pulsed system (RBP) of
4.80 m. and height 4 cm. of SS-316L diameter jacketed for
thermostatting and fills each of the fungal strains isolated,
characterized and adapted entrapped in calcium alginate
(Figure below). Continued operation of this system (30 ° C;
8.22 h. TRH) allowed the degradation of Cu (II) in a
97.21% and Pb (II) at 8.10% of the ARI's fed confirming
their little or no affinity for Cd and Zn.
Keywords: A. niger, A. flavus, A. fumigatus, A. spp., fungal kinetic, industrial wastewater (IWW),
engineering system for biological degradation, pulsating biological reactor (PBR), plug flow tubular
reactor (PFTR).