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Degradacin del colorante industrial Turquesa Erionyl con el hongo Anthracophyllum discolor empleando un reactor de tanque agitadoLUZ MARA PONCE PATIO NATALIA E. BOBADILLA CUBEROS Asesora: Juliana Osorio EchavarraGRUPO DE BIOPROCESOS UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
D e g ra d a cin d e l color a nt e ind ust r ia l t ur q ue sa e rionyl con e l hon g o d e la p u d r icin b la nca d e la m a d e ra Anthracophyllum discolor e m p le a nd o un r e a ct or d e t a nq u e agitado
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CONTENIDO
v Planteamiento del Problema. v Objetivos. v Antecedentes. v Marco terico. v Metodologa. v Resultados y Anlisis. v Conclusiones. v Recomendaciones y Trabajos a Futuro. v Bibliografa.
Degradacin del colorante industrial turquesa erionyl con el hongo de la pudricin blanca de la madera Anthracophyllum discolor empleando un reactor de tanque agitado
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
es coloreadas por prdida entre el 10 y 15 % del colorante (Aprox. 1 milln de kg) Tratamiento de Efluentes
Biorremediacin
Hongos de la pudricin blanca de la ma
ua y problemas en la salud humana debido a la actividad txica, carcinognica, mutag
Figura 1. Descargas coloreadas a efluentes en los ltimos aos alrededor del
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Figura 2. Consumo de agua anual segn el sector industrial
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OBJETIVOS
Identificar el perfil cintico de fermentacin del hongo Anthracophyllum discolor y evaluar el potencial de degradacin con el colorante Turquesa Erionyl empleando un reactor de tanque agitado. Determinar la cintica de fermentacin Anthracophyllum discolor en un biorreactor de tanque agitado con capacidad de 7 Litros. Determinar la velocidad de degradacin del colorante Turquesa Erionyl de aplicacin industrial por la accin del hongo Anthracophyllum discolor. Determinar la velocidad especfica de consumo de oxgeno
General
Especficos
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ANTECEDENTES
Decoloracin > 95% Colorantes tipo azo Reactor RBC (contacto biolgico rotativo) El tratamiento de colorantes mediante hongos lignolticos ha sido estudiado utilizando diferentes tipos de reactor en cepas como: Phanerochaete chrysoporium, Phanerochaete srdida, Lentinula edodes, Trametes versicolor, etc. Hasta el momento el Anthracophyllum discolor solo se ha usado para biorremediacin de suelos en reactor y para decoloracin en matraces. Decoloracin > 80% Colorante disperso (Red-553) Reactor de pelcula fija
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MARCO TERICO
Los hongos son organismos eucariticos que poseen una pared celular gruesa, hetertrofos, cenocticos, normalmente se reproducen por esporas. Los hongos lignolticos, hongos de la pudricin blanca de la madera son en su mayora un grupo especfico de basidiomicetos, los cuales transforman la lignina (heteropolmero muy recalcitrantre) en compuestos menos complejos logrando su mineralizacin.
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MARCO TERICO
Compuestos recalcitrantes degradados Lignina Bifenilos policlorinados Hidrocarburos policclicos aromticos Plaguicidas clorados (Pentaclorofenol-PCP) y organofosforados Colorantes de tipo azo, trifenilmetano, heterocclicos y complejos de ftalocianina
Hongos LigninolticosPleurotus spp. Trametes versicolor Phanerochaete chrysosporium Bjerkandera adusta Coriolopsis gallica Stereum hirsutum
Tabla 1. Algunas aplicaciones medioambientales de los hongos ligninolticos
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MARCO TERICO
adacin empleado por los hongos de la pudricin blanca de la madera, es el sistema de enz
Peroxidasas Manganeso Peroxidasa (MnP)
Lacasas Lignino Peroxidasa (LiP)
El proceso est basado en la produccin de radicales libres, lo cual permite que estas enzimas sean catalticamente activas sobre una gran diversidad de sustratos orgnicos.
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MARCO TERICO
Figura 3. Ciclo cataltico de las Lacasas y peroxidasas
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MARCO TERICO
El Anthracophyllum discolor (A. discolor) es una cepa fngica chilena, produce las principales enzimas lignolticas: LiP, MnP y Lacasa.Figura 4. Cuerpo fructfero del Anthracophyllum discolor
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MARCO TERICO
El crecimiento celular dentro de un reactor batch, se detiene cuando se llega a algn tipo de limitacin, al no haber regeneracin de medio.
Figura 5. Fases tpicas del crecimiento celular en reactor discontinuo
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MARCO TERICO
El Turquesa Erionyl es colorante textil de tipo cido, produce tonos de color azul intenso, tiene una deficiente eliminacin por adsorcin y un grado de bioeliminacin menor al 10% (recalcitrante) debido a su grupo cromforo, Ftalocianina de cobre. Se usa para nylon, lana, seda, especialmente en la industria del jean.
Figura 6. Estructura qumica del Turquesa Erionyl
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MARCO TERICO
La transferencia de oxgeno en sistemas biolgicos puede ser descrita mediante la teora de las dos pelculas. Etapa I, ocurre la saturacin de la interfase. Etapa II, el paso de las molculas de oxgeno de la interfase, desde la pelcula del lquido hasta el seno del mismo.
Figura 7. Resistencias principales en la transferencia de oxgeno
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MARCO TERICO
Ecuacin 1. Balance de materia simplificado (Ley de Fick)
ParmetroVelocidad especfica de consumo de oxgeno (QO2) Coeficiente global de transferencia de masa (kLa)
Sin Correccin
Con Correccin
Tabla 2. Ecuaciones para el QO2 y kLa con y sin correccin por tiempo de respuesta del sensor de oxgeno
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METODOLOGA
Figura 8. Secuencia del cultivo del Anthracophyllum discolor
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METODOLOGA
Figura 9. Sistema completo de reactor (BENCHTOP FERMENTER TYPE ALF, 7.0
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METODOLOGA
Puesta a punto del reactor
Tcnicas Analticas Funcionamiento del reactor Pre-experimentacin Medio Kirk Medio Kirk Modificado
Cintica de Fermentacin
Adicionndolo desde el da 0 Degradacin del Turquesa Erionyl Adicionndoloel da de mayor actividad enzimti
Velocidad especfica de consumo de oxigeno (Q Coeficiente global de transferencia de masa (kLa Transferencia de Oxgeno
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RESULTADOS Y ANLISIS
Niveles mximos LiP 9,92 0,298 U/L (da 3) MnP 1,53 0,41U/L (da 7)
Grfica 1. Cintica de crecimiento y produccin de enzimas ligninolticas en medio Kirk con el Anthracophyllum discolor. Oxgeno Disuelto ( ) Glucosa ( pH ( MnP ( LiP ( ) ) ) )
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RESULTADOS Y ANLISIS
Niveles mximos LiP 13,559 0,023 U/L(da 3) MnP 1,698 0,077 U/L(da 10)
Grfica 2. Cintica de crecimiento y produccin de enzimas ligninolticas en medio Kirk modificado con el Anthracophyllum discolor. Oxgeno Disuelto ( ) Glucosa ( pH ( MnP ( LiP ( ) ) ) ).
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RESULTADOS Y ANLISIS
Figura 10. Foto del montaje de Fermentacin en medio Kirk con el hongo Anthracophyllum discolor para seguimiento de parmetros de crecimiento. Primer ensayo A) Da 1, B) Da 2, C) Da 6.
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RESULTADOS Y ANLISIS
Niveles mximos LiP 31,82 0,55 U/L (da 7) MnP 11.1 0,019 U/L (da 9)
Decoloracin 91,84% Velocidad de degradacin 53mg/L.d (Dia 0-3) 14,52mg/L.d(Da 3-7)
Grfica 4. Cintica de degradacin del Turquesa Erionyl por el Anthracophyllum discolor, en medio Kirk Modificado. Oxgeno Disuelto () Glucosa () pH () MnP () LiP () Turquesa
Figura 10. Foto del montaje para la degradacin del colorante Turquesa Erionyl con el hongo Anthracophyllum discolor. KIRK MODIFICADO A) Da 0 B) Da 3 C) Da 8
Figura 11. Muestras diarias degradacin del colorante Turquesa Erionyl Fig u r a 1 1 . Pe lle t s d e l A. d iscolor
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RESULTADOS Y ANLISIS
Niveles mximos LiP 39, 857 0,223 U/L (da 7) MnP 6,165 0,040 U/L (da 7)
Decoloracin 15,6 %
Grfica 5. Cintica de degradacin del Turquesa Erionyl por el Anthracophyllum discolor, en medio Kirk Modificado, con inyeccin del colorante al 4 da. Oxgeno Disuelto ( ) Glucosa ( pH ( MnP ( LiP ( Turquesa Erionyl () ) ) ) )
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RESULTADOS Y ANLISIS
Niveles mximos LiP 84,945 10,49U/L(da 2) MnP 5,642 0,07 U/L (da 4)
Decoloracin 81,6%
Grfica 6. Cintica de degradacin del Turquesa Erionyl por el A. discolor. En medio Kirk modificado. En erlenmeyer. Glucosa ( )MnP ( LiP ( Turquesa Erionyl () ) )
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RESULTADOS Y ANLISIS
Grfica 7. Determinacin del kla y Consumo de oxgeno del Antracophyllum discolor - Ensayo 1 ()
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RESULTADOS Y ANLISIS
Grfica 8. Curva de Tiempo de Respuesta del sensor de oxgeno en uno de los ensayos
Sin Correccin
Con Correccin
Tabla 3. Valores Sin y Con Correccin de kla, QO2 por tiempo de respuesta
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CONCLUSIONES
vLa composicin del medio de cultivo Kirk Modificado es ms apropiada que la propuesta originalmente por Kirk, para la produccin de enzimas ligninolticas del hongo Anthracophyllum discolor, en un biorreactor de tanque agitado con capacidad de 7 Litros, revelando buenos perfiles cinticos en el cultivo con mxima actividad enzimtica en la fermentacin de (da 3) para la LiPy de (da 10) para la MnP, adems de las curvas durante la decoloracin con actividad mxima de 30,2 0,38 U/L para la Li y 11,1 0,019 U/L para la MnP. A pesar de esto, la produccin enzimtica en el reactor, no fue comparable con lo encontrado en matraz evidenciando la influencia general del estrs hidralico, la agitacin y la aireacin en este proceso. vEl porcentaje mximo de decoloracin obtenido para el Turquesa Erionyl fue del 91,84% con una velocidad de degradacin de 53,0mg/L.d, por accin del Anthracophyllum discolor en el biorreactor con medio Kirk Modificado, aunque a produccin de enzima fue superior en erlenmeyer la decoloracin en biorreactor fue mejor.
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CONCLUSIONES
vLa mayor disminucin de la concentracin del Turquesa Erionyl, 91,84%, sucedi al suplementar el medio con colorante desde el inicio de la fermentacin en el reactor y no al inyectar el colorante en el da de mayor produccin de enzimas que alcanz un valor mximo de 81,6 % con una velocidad de degradacin de 250,26mg/L.d. vLa velocidad especfica de consumo de oxgeno (QO2) del Anthracophyllum discolor con medio Kirk Modificado, corregido por el tiempo de respuesta del electrodo de oxgeno fue de , siendo este el primer reporte realizado de este parmetro. vEl coeficiente global de transferencia de masa para el reactor de tanque agitado de 7L bajo las condiciones de operacin del estudio y corregido por tiempo de respuesta del electrodo de oxgeno fue de . v
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RECOMENDACIONES
vRealizar estudios con variacin del pH inicial con el fin de encontrar el pH ptimo para produccin de enzimas (decoloracin). vHacer pruebas para verificar la disminucin de toxicidad en el efluente con mediciones de la DQO, DBO y prueba con microorganismos . vRealizar anlisis por Espectroscopia de Infrarrojo, Cromatografa Liquida y de Gases Acoplada a Masas. vA partir del coeficiente global de transferencia de masa, kLa, es posible pensar en el escalamiento del proceso de produccin de enzimas. vImplementar a futuro una tcnica de tratamiento con produccin de enzimas ligninolticas efectiva y viable econmicamente a nivel industrial.
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BIBLIOGRAFA
vDvila G.; Vsquez R. (2006). Enzimas ligninolticas fngicas para fines ambientales. Mensaje Bioqumico, XXX, 29-55. vDoran P. M. (1995). Principios de Ingeniera de los Bioprocesos. (1 ed.). vGarca, V. (2004). Introduccin a la microbiologa (2 ed.). : Editorial EUNED. vMansilla H. (2001). Tratamiento de Residuos Lquidos de la Industria de Celulosa y Textil. In Eliminacin de Contaminantes por Fotocatlisis Heterognea. Programa iberoamericano de ciencia y tecnologa para el desarrollo - CYTED (pp. 285-294). vMartnez S. A. et al. (2005). Tratamiento de aguas residuales con Matlab. vMoreira, M. T., Feijoo, G., Lema, J. . (2007). Dynamic modeling of an enzymatic membrane reactor for the treatment of xenobiotic compounds. Biotechnology and Bioengineering, 97 (5 ), 1128-1137. vRubilar Araneda O. (2007). Biorremediacin de suelos contaminados con pentaclorofenol (PCF) por hongos de pudricin blanca. Universidad de la Frontera, Temuco, Chile. vTorres A. et al. (2008). Determinacin de la velocidad especfica de consumo de oxgeno en microorganismos incluyendo el tiempo de respuesta del electrodo de oxgeno. Revista Facultad de Ingeniera Universidad de Antioquia(43), 33-41. vTorres A. et al. (2009). Metodologa para la correccin del coeficiente volumtrico de transferencia de oxigeno (k La) por tiempo de respuesta del electrodo y su aplicacin al cultivo del hongo medicinal Ganoderma lucidum. Universidad de Antioquia.
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PREGUNTAS?
MUCHAS GRACIAS!