potencial tolerante y de biodegradaciÒn del hongo …
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POTENCIAL TOLERANTE Y DE BIODEGRADACIÒN DEL HONGO DE
PODREDUMBRE BLANCA SOBRE LLANTAS USADAS
NESTOR EDUARDO RAMIREZ CUADRO
JEFFERSON ARTURO TEHERAN ROMERO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA, ARQUITECTURA, ARTE Y DISEÑO
PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA
CARTAGENA
2017
POTENCIAL TOLERANTE Y DE BIODEGRADACIÒN DEL HONGO DE
PODREDUMBRE BLANCA EN LLANTAS USADAS
NESTOR EDUARDO RAMIREZ CUADRO
JEFFERSON ARTURO TEHERAN
Proyecto presentado como requisito parcial para optar al título de ingeniero
químico.
DIRECTOR
JOSE MARIN BATISTA
MSc. INGENIERO QUÍMICO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA, ARQUITECTURA, ARTE Y DISEÑO
PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA
CARTAGENA
2017
NOTA DE ACEPTACIÒN
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Presidente del jurado
______________________________
Jurado
______________________________
Jurado
AGRADECIMIENTOS
Les agradezco primero que todo a Dios por darme vida, salud y la oportunidad de
poder realizar mis estudios de pregrado. Además, le agradezco a mi madre Nidia
Cuadro, a Yessica Ortiz y a mis hermanos Yenis y Víctor Puello por apoyarme todos
estos años. Igualmente, a mis docentes en general, pero en especial a los docentes
José Marín y Lersy López, los cuales en los momentos más difíciles creyeron en mí
y me impulsaron para poder culminar con mis estudios y mi paso por este segundo
hogar llamado universidad de San Buenaventura. Por último, pero no menos
importante le agradezco a todos aquellos que estuvieron a mi lado permanente y no
permanentemente pero que me apoyaron en todo el camino a llevar a cabo este
logro.
Gracias….
NESTOR EDUARDO RAMIREZ CUADRO
A Dios le debo todo, hizo que esto fuera posible, mantiene a mis padres con vida y
salud, a ellos agradezco su apoyo incondicional en todo este proceso de formación
profesional y mi vida cotidiana, también quiero agradecer a todas y cada una de las
personas que de forma directa e indirecta siempre me apoyaron e hicieron parte de
esto.
JEFFERSON ARTURO TEHERAN ROMERO
CONTENIDO
1. PROBLEMA DE INVESTIGACÓN............................................................................................ 1
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................................... 1
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ........................................................................................ 3
1.3 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................................ 3
1.4 OBJETIVOS ................................................................................................................................ 6
Objetivo General: .............................................................................................................................. 6
Objetivos específicos: ...................................................................................................................... 6
2. MARCO DE REFERENCIA ........................................................................................................ 7
2.1 ANTECEDENTES ...................................................................................................................... 7
2.2 MARCO TEORICO .................................................................................................................... 9
2.2.1. Hongos de la podredumbre blanca. ................................................................................. 10
2.2.2 Biodegradación de caucho natural.. .................................................................................. 11
2.3. MARCO LEGAL ...................................................................................................................... 14
2.4. MARCO CONCEPTUAL ........................................................................................................ 15
3. DISEÑO METODOLOGICO ..................................................................................................... 19
3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN .................................................................................................... 19
3.2 POBLACIÓN Y MUESTRA .................................................................................................... 19
3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCION DE DATOS .............................................................. 20
3.3.1 Fuentes primarias. ................................................................................................................ 20
3.3.2 Fuentes secundarias ............................................................................................................ 20
3.3.3 instrumentos .......................................................................................................................... 21
3.4 HIPOTESIS ............................................................................................................................... 21
3.5 VARIABLES .............................................................................................................................. 21
3.5.1 Variables independientes .................................................................................................... 21
3.5.2 Variables interviniente.......................................................................................................... 21
3.5.3 Operacionalización de variables ........................................................................................ 22
3.6 PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN ....................................................................... 22
3.6.1 Polímero.. ............................................................................................................................... 22
3.6.2 Preparación del inoculo.. ..................................................................................................... 23
3.6.3 Inspección microscópica electrónica.. ............................................................................... 25
3.6.4 Cinética de germinación del hongo.. ................................................................................. 25
3.6.5 Inspección por espectroscopía infrarroja por transformada de fourier (FTIR). ........... 25
3.6.6 Inspección por análisis de tensión. .................................................................................... 25
3.6.7 Modelamiento del proceso germinativo. ........................................................................... 26
3.7 ANÁLISIS ESTADÍSTICO ....................................................................................................... 27
4 RESULTADOS ............................................................................................................................. 28
4.1 INSPECCION SEM DEL PROCESO BIODEGRADATIVO ............................................... 28
4.2 INSPECCION POR ANALISIS DE TENSIÓN .................................................................... 29
4.3 INSPECCIÓN DE ANALISIS FTIR ........................................................................................ 30
4.4 .. EFECTO DE LA CONCENTRACION DE SUSTRATO SOBRE LA PRODUCCIÓN DE
BIOMASA......................................................................................................................................... 31
4.5 ANÁLISIS DE BONDAD DE LOS MODELOS MATEMATICOS ...................................... 32
5. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 36
6. RECOMENDACIONES ............................................................................................................. 37
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................... 38
ANEXOS .......................................................................................................................................... 47
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Predicción de la degradación del caucho poli (cis-1,4-isopreno) por la cepa
VH2 de G. polyisoprenivorans. .............................................................................. 13
Figura 2. Análisis de microscopia electrónica para la superficie del caucho expuesto
a biodegradación luego 0 días (a), 16 días (b) y 40 días (c). ................................ 28
Figura 3. Graficas de desplazamiento vs fuerza del Análisis de Tensión de las
muestras de llanta sin hongo y con hongo ............................................................ 29
Figura 4. Superposición de los espectros obtenidos para las dos muestras
analizadas: Caucho con hongo (azul), Caucho sin hongo (negro) ........................ 31
Figura 5. Germinación del Hongo de la podredumbre blanca a diferentes
concentraciones de llanta ...................................................................................... 32
Figura 6. Valores Experimentales y Predichos en función de la concentración para
el modelo de monod .............................................................................................. 32
Figura 7. Valores Experimentales y Predichos en función de la concentración para
el modelo de Haldane ........................................................................................... 32
Figura 8. Valores Experimentales y Predichos en función de la concentración para
el modelo de Hinshelwood .................................................................................... 33
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Variables de medición ............................................................................. 22
Tabla 2. Composición de la llanta en % P/P ......................................................... 23
Tabla 3. Comparación del análisis morfológico del hongo de la podredumbre
blanca estudiado con la información de la literatura. ............................................. 24
Tabla 4. Valores del ajuste de los modelos matemáticos. .................................... 34
Tabla 5. Parámetros de los modelos de germinación microbiana ......................... 34
LISTA DE ANEXOS
Anexo 1.1 Analisis Estadistico por MiniTab .......................................................... 47
RESUMEN
El presente estudio evaluó el potencial de biodegradación del caucho de llantas
usadas mediante acción enzimática de un hongo de la podredumbre blanca.
Inicialmente, se evaluó el efecto de la acción enzimática del hongo sobre las
propiedades mecánicas, estructurales y químicas del caucho. Diferentes cortes
esterilizados de llantas de 1 cm2 fueron inoculados sobre la superficie del caucho.
Luego de 45 días, se evaluaron los cambios en la tensión, los cambios en la
superficie a partir de scanning electronic microscopic (SEM) y variaciones en la
estructura química por Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), estos
análisis demostraron la presencia de erosión en el material por ataque a sus enlaces
moleculares. Posteriormente, se determinó el potencial de la llanta para producir
biomasa fungi. Para ello, se estudiaron 6 concentraciones de polvo de llanta (2.5, 5,
7.5, 10, 12.5 mg/L) las cuales fueron inoculadas con micelios del hongo en Agar
Sabouraud. Luego de 21 días, la biomasa germinada en cada concentración de
sustrato fue analizada gravimétricamente y modelada. Como resultados se encontró
una dependencia proporcional del crecimiento de la biomasa en función de la
concentración del sustrato. Finalmente, se concluye que el hongo de la
podredumbre blanca tiene potencial para degradar el caucho de las llantas usadas.
Por tanto, puede ser una opción viable para ayudar a la biodegradación de las
llantas usadas.
Palabras claves: Biodegradación, potencial, tolerancia, bioremediación, llantas
usadas.
ABSTRACT
The present study evaluated the biodegradation potential of rubber of used tires by
enzymatic action of a white rot fungus. Initially, the effect of the enzymatic action of
the fungus on the mechanical, structural and chemical properties of the rubber was
evaluated. Different sterilized cuts of 1 cm2 rims were inoculated on the rubber
surface. After 45 days, changes in stress, surface changes from scanning electron
microscopy (SEM) and changes in chemical structure were evaluated by Fourier
transform infrared spectroscopy (FTIR), these analyzes showed the presence of
erosion in the material by attacking its molecular bonds. Subsequently, the potential
of the rim was determined to produce fungi biomass. For this, 6 concentrations of
rim powder (2.5, 5, 7.5, 10, 12.5 mg / L) were studied and inoculated with mycelia of
the fungus in Sabouraud agar. After 21 days, the germinated biomass at each
substrate concentration was gravimetrically analyzed and modeled. As results, a
proportional dependence of the growth of the biomass as a function of the substrate
concentration was found. Finally, it is concluded that the white rot fungus has the
potential to degrade the rubber of the used tires. Therefore, it may be a viable option
to help biodegradation of used tires.
Keywords: Biodegradation, potential, tolerance, bioremediation, used tires.
INTRODUCCIÓN
La presente investigación se refiere al proceso de bioremediación de llantas usadas
por acción enzimática del hongo de la podredumbre blanca. Se ha estimado que la
degradación natural de las llantas usadas acumuladas a la intemperie, requiere
entre 500 y 3000 años [1]. Esta acumulación en los caños, calles y basureros
satélites, representa un problema permanente para la salud pública y para el
ambiente [2], creando focos de crías de larvas de mosquitos que son vectores de
enfermedades mortales como el dengue, chikungunya y zika [3]. Se ha demostrado
que Muchos compuestos de difícil degradación pueden eliminarse mediante la
aplicación de procesos de bioremediación por hongos o bacterias [1]. Los hongos
de la podredumbre blanca han mostrado ser potencialmente útiles en
Bioremediación al poseer enzimas con capacidad para oxidar diversos sustratos de
alto peso molecular [4]. No obstante, el uso del complejo enzimático de los hongos
de la podredumbre blanca podría ser empleado en la bioremediación de las llantas
usadas.
El material de las llantas usadas corresponde a caucho vulcanizado, el cual se
compone de cadenas largas de polímeros unidos por puentes de azufre formados
durante la vulcanización [1]. A su vez, el caucho vulcanizado está compuesto por
iso-polipropileno el cual es de origen vegetal y con estructura similar a la lignina [5].
El iso-polipropileno se trata de un polímero tridimensional constituyente en la
madera y otras plantas, pero su estructura química no es conocida completamente.
Actualmente, no se cuenta con una descripción detallada de los subproductos
metabólicos generados durante su descomposición o biodegradación [5]. Por tanto,
se dificulta determinar el potencial biodegradativo en términos de la generación de
metabolitos a partir de la descomposición del sustrato. No obstante, en este estudio
el potencial biodegradativo del hongo se determinó mediante cambios en las
propiedades mecánicas y fisicoquímicas del caucho. La experimentación se realizó
en dos etapas, durante la primera etapa se evaluó el efecto de la acción enzimática
del hongo sobre las propiedades mecánicas, estructurales y químicas del caucho
mientras que para la segunda etapa se determinó el potencial de la llanta para
producir biomasa fungi.
En sentido estricto, el proyecto está dividido en capítulos que permiten entender el
contenido del trabajo; En el capítulo 1, se describe el planteamiento de la
investigación, formulación de problema, justificación y los objetivos. En el capítulo
2, se aborda el marco referencial, este consta de los antecedentes investigativos
del proyecto, referencias bibliográficas que sirven como guía; las bases teóricas en
las cuales se encuentran los principios teóricos y la definición de los términos
básicos. El capítulo 3, presenta el diseño metodológico, el cual describe el tipo de
investigación desarrollado por el proyecto, la forma como se obtuvo la información,
las variables que participan en el proyecto. En este capítulo se observan 2 etapas:
En la primera etapa, se hizo inoculación del hongo in situ en diferentes medios de
cultivos con agar sabouraud. Esta sepa se mantuvo en cajas de Petri a temperatura
(35±2°C) durante 15 días, hasta alcanzar un crecimiento óptimo. Posteriormente,
diferentes cortes de llantas de 1 cm2 esterilizados fueron inoculados sobre la
superficie del caucho. Luego de 45 días, se evaluaron los cambios en la tensión del
caucho mediante análisis de tensión, los cambios en la superficie del caucho se
evaluaron a partir de scanning electronic microscopic (SEM) y las variaciones en la
estructura química del caucho se determinaron a partir de Fourier transform infrared
spectroscopy (FTIR), estos análisis demostraron un deterioro en las propiedades
fisicoquímicas del caucho, generando erosión del material por ataque a sus enlaces
moleculares.
Durante la segunda etapa, se estudió el efecto del sustrato sobre la producción de
biomasa fungi. En esta etapa, la llanta se pulverizó hasta un tamaño de partículas
de 2-4 mm de diámetro. Seis concentraciones de polvo de llanta (2.5, 5, 7.5, 10,
12.5 mg/L) fueron inoculadas en Agar Sabouraud. Luego de 21 días, la biomasa
obtenida en cada concentración de sustrato fue recolectada, secada a 105°C en un
horno y analizada gravimétricamente. Finalmente, los resultados fueron modelados
considerando una cinética de crecimiento microbiano de primer orden. Como
resultado se encontró que la concentración del sustrato tiene una dependencia
proporcional al crecimiento de la biomasa. No obstante, el modelamiento permitió
establecer el grado de tolerancia del hongo respecto al sustrato a partir del cálculo
de los parámetros del modelo.
Posteriormente, en el capítulo 4 se presentan los resultados, es el producto de la
investigación y va relacionado con los objetivos propuestos, los cuales van a
determinar la efectividad del proyecto realizado.
Finalmente, las conclusiones y recomendaciones, abarcan la sección en donde se
interpretan los resultados obtenidos al realizar el proyecto de grado.
En este estudio se concluye que el hongo de la podredumbre blanca presenta
afinidad para utilizar el iso-polipropileno como fuente de carbono para su
metabolismo. El estudio del potencial de biodegradación enzimática del iso-
.polipropileno conlleva a estudios próximos de operacionales de optimización,
recuperación de enzimas y diseño de proceso.
1
POTENCIAL TOLERANTE Y DE BIODEGRADACIÓN DEL HONGO DE
PODREDUMBRE BLANCA EN LLANTAS USADAS
1. PROBLEMA DE INVESTIGACÓN
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En las últimas décadas, la industria del caucho ha incremento en un 12% su
producción a nivel mundial [6] Gran parte de la producción del caucho se destina a
la fabricación de llantas para aviones, vehículos pesados y ligeros [7]. Se estima
que mundialmente 800 millones de llantas son desechados anualmente en
vertederos, generando problemas tanto de contaminación ambiental al momento de
la quema de estas, lo cual desintegra el caucho liberando además de monóxido y
dióxido de carbono, dióxido de azufre, que en la atmósfera se puede convertir en
lluvia ácida [8], como problemas de salud pública al ser enterradas, almacenadas o
destruidas por incineración y generan peligro por ser generadoras de incendios [6].
Existen diversas tecnologías para la valorización material y energética de las llantas
usadas, tales como I) los tratamientos mecánicos: troceado y trituración [9]; II)
tecnologías de regeneración como desvulcanización [9]; y III) tecnologías térmicas
de descomposición como la pirolisis-termólisis [9]. Las tecnologías fisicoquímicas
conllevan a tratamientos eficientes al permitir la transformación completa del
residuo, pero a su vez conducen a procesos no sustentables al generan
subproductos y demandar alto consumo energético.
Actualmente, la bioremediación ha atraído la atención de los investigadores por su
mínimo consumo de energía, abatimiento eficiente y reducida producción de
subproductos tóxicos [10]. La bioremediación con hongos representa una alternativa
prometedora dentro del tratamiento biológico de llantas debido a la implementación
de medios secos para la fermentación. Los medios secos conllevan a diseños de
bioreactores con bajo volumen de operación y económicos, al no requerir consumo
de agua, generar un bajo volumen de efluente [11]. La biodegradación de llantas
por medio de hongos ha sido estudiada para Aspergillus y Penicillium,
evidenciándose reducción de un 40% en el peso y propiedades mecánicas del
caucho por erosión superficial [6]. Adicionalmente, los hongos tienen un alto
potencial para la generación de enzimas, las cuales al recuperarse representarían
un valor agregado para la bioremediación.
2
El hongo de podredumbre blanca (HPB), pertenecientes al grupo de los
Basidiomycetes, son considerados microorganismos idóneos para la producción de
enzimas a través de fermentación en estado sólido, debido a la similitud entre su
entorno natural y las condiciones del proceso fermentativo [11]. Este tipo de hongos,
tienen un sistema enzimático conformado por las enzimas Lignina peroxidasa,
Manganeso peroxidasa y lacasas, capaces de descomponer compuestos
lignolíticos. Adicionalmente, los HPB son conocidos por su factibilidad en la
degradación de pesticidas, hidrocarburos aromáticos y algunos colorantes [12]. No
obstante, la versatilidad de los HPB, para biodegradar compuestos orgánicos
contaminante, habilita la ventana de estudio hacia la búsqueda de nuevas
aplicaciones en bioremediación.
El componente principal de las llantas es poli-cis-1,4-isopropeno (2-metil-1,3-
butadieno) que al ser una molécula orgánica representa una fuente de carbono
disponible para la obtención de energía [12]. El poli-cis-1,4-isopropeno es extraído
naturalmente de la corteza de los arboles durante los procesos de explotación
forestal para la producción de caucho [10]. Dado su origen lignocelulosico, poli-cis-
1,4-isopropeno presenta características similares a la lignina haciendo su estructura
polimérica y enlaces moleculares susceptibles a descomposición por parte del
complejo enzimático de los HPB. La capacidad intrínseca del caucho para ser
transformado en una estructura química más simple por vía microbiana define el
potencial biodegradativo [13]. Sin embargo, a diferencia de otras áreas de la
ingeniera ambiental la medida del potencial biodegradativo de un caucho
vulcanizado es un parámetro no estandarizado dado que la ruta metabólica en la
descomposición del poli-cis-1,4-isopropeno no ha sido completamente identificada
[5]. Lo cual dificulta la determinación de un valor cuantitativo que exprese el
potencial del hongo de la podredumbre blanca para transformar el poli-cis-1,4-
isopropeno a productos metabólicos reutilizables.
Los potenciales biodegradativos de sustratos sólidos se pueden medir
indirectamente a partir de los cambios en las propiedades fisicoquímicas, mecánicas
y estructurales del material. Igualmente, los modelos matemáticos permiten realizar
caracterizaciones cinéticas del bioproceso a partir de la identificación de parámetros
biodegradativos crecimiento celular, rendimientos en la formación de productos y
consumo de sustrato. De esta manera se pueden diseñar biodigestores que
conduzcan a estudios bajo condiciones controladas de operación, formulación de
sustratos, control de inhibiciones, optimización de requerimientos nutricionales y
escaldo del proceso.
3
Por otra parte, la llanta posee compuestos recalcitrantes y un alto contenido de
metales pesados tales como zinc, cadmio, cromo, níquel y plomo [14], lo cual
conducen a un proceso biodegradativo lento que compromete la capacidad de
adaptación del hongo a la llanta como única fuente de carbono. Adicionalmente, la
llanta presenta concentraciones de nitrógeno limitadas que conllevarían a largos
períodos de incubación para obtener suficientes productos de masa celular o/y del
catabolismo para posterior análisis [15]. Las deficiencias de nutrientes en la
descomposición biológica de las llantas usadas se podrían mejorar a partir del
suplemento de los mismos en el medio de cultivo. Así como la toxicidad podría ser
mitigada por dilución del compuesto inhibitorio o adaptación del hongo. Estas
alternativas de mejora en el bioproceso son viables una vez definido el potencial
biodegradativo y tolerante de los HPB en términos de su dinámica biológica y
fisicoquímica.
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Cómo evaluar el potencial tolerante y de biodegradación de un hongo de la
podredumbre blanca sobre llantas usadas?
1.3 JUSTIFICACIÓN
La disposición indiscriminada de llantas conduce a problemas de salud pública,
seguridad y ambientales. La forma e impermeabilidad de las llantas desechadas
permiten que se mantenga el agua durante un largo período de tiempo,
proporcionando sitios para la cría de larvas de mosquitos que son vectores de
enfermedades mortales como el dengue, el chikungunya y la malaria [16]. En países
de climas tropicales como Colombia, se han reportado desde el 2015 más de 13.500
casos de virus como el dengue, el chikungunya y ahora el zika. En Cartagena se
han detectado 608 casos en este mismo período de tiempo [3]. Por otra parte, las
llantas usadas suponen una amenaza de incendio, especialmente durante los
veranos. Las llantas presentan un espacio vacío de 75%, lo cual dificulta la extinción
del fuego [16]. Además, el agua de ignición a menudo aumenta la producción de
aceites pirolíticos, negro de humo y lixiviados que a su vez son contaminantes del
ecosistema [17]. En la ciudad de Cartagena, la quema de llanta es una práctica
común como forma de eliminación. Por tanto, surge la necesidad de dar una
disposición sostenible de las llantas y que sea de ayuda para el medio ambiente.
La bioremediacion usando hongos de podredumbre blanca es una tecnologia muy
prometedor. Muchos estudios se enfocan en la habilidad que tienen con la
degradacion de compuestos persistentes, estos son efectivos debido que producen
4
una enzima extracelulosa porque cataliza una reaccion que degrada lignina, un
compuesto aromatico. Para catalizar estas reacciones poderosas las enzimas
requieren peroxido de hidrogeno, lo cual el hongo lo produce. Los hongos de la
podredumbre blanca presentan varias ventajas que facilitan el estudio de su uso en
la biorremediacion, podemos encontrar: que los hongos estan presentes en los
sedimentos acuaticos y habitats terrestres [18]. Estos poseen ventajas sobre las
bacterias debido al hecho de que sus hifas pueden penetrar el suelo contaminado y
producir enzimas extracelulares que degradan los contaminantes. Ademas, Es un
gran colonizador y es capaz de desplazar otros organismos lo cual requiere menos
energia para eliminar probables contaminantes. Pór tanto, su crecimiento es rapido,
produciendo un rendimiento promedio del 20% del precio del sustrato que lo
contiene [18]
Entre las tecnologías de tratamiento disponibles, la ruta de reutilización y el
reciclado de neumáticos de desecho es un enfoque viable, ambiental, sostenible y
ofreciendo así ventajas adicionales las cuales incluyen el bajo precio de las materias
primas, la reducción efectiva del volumen de residuos, y la prevención de la
contaminación secundaria generado en los vertederos o durante la combustión de
los neumáticos [19]. Además, el trabajo con hongos es un negocio en crecimiento y
competitivo, y en base a su versatilidad para trabajos próximos se pudiese aislar
enzimas las cuales utilizadas en bioreactores permitirían tiempo de operación más
cortos, mayor control del proceso y la composición de los medios es menos
compleja [20]. Asi mismo, la razón por la cual escogieron los Hongos de la
Podredumbre Blanca para biodegradar llanta y no otros hongos reportados en la
literatura es por la disponibilidad inmediata de los HPB en el entorno de la ciudad
de Cartagena.
El presente proyecto, aparte de estar relacionado directamente con las metas,
programas, también está relacionado con las líneas de investigación del Grupo de
Investigación en Ciencias de la Ingeniería GICI, específicamente la línea de
“ingeniería de procesos”, la cual conlleva estandarización, control y simulación de
procesos, diseño de procesos para nuevos productos. Estas a su vez van ligadas
con las asignaturas: cinética química, operaciones unitarias y métodos numéricos.
La importancia de este tema radica en que es un estudio exploratorio con miras a
contribuir con la solución a una problemática ambiental causada por las llantas de
desechos arrojadas en vertederos, quebradas, entre otros. En caso de obtener
resultados positivos, se contará con una alternativa que contribuya a disminuir el
impacto ambiental generado por la acumulación de estos desechos, a la vez que
5
disminuirán los focos de infección y enfermedades relacionadas a vertederos de
llantas, estos impactos se ven aumentados en las ciudades de clima tropical, un
ejemplo es la ciudad Cartagena, la cual cuenta con temperaturas entre (24-39)°C y
humedades de entre 75% y 100% de humedad [21], estos valores de humedad y
temperatura ayudan a la proliferación de insectos y por tanto, enfermedades [21].
También, se disminuirán las emisiones de gases contaminantes por la quema de
llantas. De esta manera, se proyectan impactos positivos tales como beneficiar a la
población afectada por enfermedades respiratorias causadas por la inhalación de
humos de quema de llantas, así como la población cercana a vertederos, gracias a
la prevención de estancamiento de aguas que puedan tomarse en focos de dengue
u otro tipo de enfermedad.
Este proyecto estipula el potencial tolerante del proceso de biodegradación de
llantas, lo cual se puede ver fácilmente que beneficiará no solo a la universidad y a
su línea investigativa y de enseñanza, sino también a la parte industrial y no
industrial de la ciudad; en la parte industrial será a aquellos que trabajan en el sector
petroquímico, plástico, carboquimico, y los desechos que estos producen después
terminar con la vida útil de los polímeros de cadena larga como el de la llanta. En la
parte no industrial se encontraría la ciudad y el campo esto reduciría notablemente
todo ese exceso de llantas y demás tipo de polímeros desechados por la ciudad los
cuales aproximadamente demorarían entre 500 y 3000 años para la degradación
por sí solo [1].
Estas acciones académicas con respecto a la temática tratada en este proyecto,
tiene una relación interdisciplinar, ya que cumplen con los conflictos de la sociedad
debido a que busca resolver problemáticas ambientales y realizar acciones de
proyección social en cuanto a lo pedagógico, lo cual es el resultado de la relación
entre propósitos sociales, oferta ambiental y aptitudes personales. “En éste sentido,
la educación garantiza el grado medio de destreza social requerido por la sociedad
para llegar a donde se ha propuesto y puede decirse que su eficacia está en relación
directa con el logro de los objetivos, metas, programas y proyectos que determinan
el ordenamiento de las actividades humanas en un territorio determinado” [22].
Además, la universidad considera fundamentales en su acción, la búsqueda
constante de la verdad; la actividad creadora; el análisis serio y objetivo de la
realidad; el rigor científico y el valor intrínseco de la ciencia y de la investigación, el
examen crítico de los conocimientos y la aplicación de los mismos al desarrollo de
la comunidad [23]. Por tanto, Cumple las funciones de docencia, investigación,
proyección social y bienestar institucional infundiendo en esas funciones los valores
éticos, estéticos, sociales y religiosos, y asume como notas fundamentales del ser
6
universitario: la autonomía del saber, la corporatividad, la investigación, la creación
y la transformación de la sociedad por el conocimiento [23].
En cuanto a la acción académica contextual y concreta de la universidad, se debe
“responder a las necesidades históricas y a los requerimientos de la sociedad. Esto
significa que las acciones universitarias propenden por las lecturas que se hagan
de la realidad social, política, económica y cultural. La Universidad de San
Buenaventura tiene el deber de responder creativamente a los conflictos de la
sociedad en la que se halla inmersa. Esto implica que la práctica pedagógica,
investigativa, de proyección social y de bienestar institucional se plantean como
respuestas a las exigencias de la sociedad” [23]. Por tanto, la universidad de San
Buenaventura, sus docentes y sus estudiantes indagan a través de este trabajo
solucionar una problemática ambiental con mira innovadora, buscando
conjuntamente nuevas técnicas de bioremediación con hongos de podredumbre
blanca, el cual tiene fácil localización, es poco probable a contaminación por
bacterias y está a la mano de la universidad y de sus estudiantes.
1.4 OBJETIVOS
Objetivo General:
Evaluar el potencial biodegradativo y tolerante de los hongos de la podredumbre
blanca mediante ensayos discontinuos para la bioremediación de llantas usadas.
Objetivos específicos:
Determinar la afinidad de los hongos de podredumbre blanca para la biodegradación
de llantas usadas mediante ensayos discontinuos.
Analizar el efecto de la concentración del sustrato sobre la cinética de germinación
de los hongos de la podredumbre blanca en la biodegradación de llantas usadas
mediante ensayos discontinuos.
Modelar la afinidad de los hongos de podredumbre blanca para la biodegradación
de llantas usadas mediante ensayos discontinuos.
7
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1 ANTECEDENTES
Dentro de los antecedentes de esta investigación cabe señalar que se han realizado
estudios de biodegradaciones de caucho de llanta por medio de microorganismos
efectivos como bacterias y hongos; a continuación, se señalan algunos de los
estudios que se han realizado en diferentes años y que sirven como base o punto
de partida para la investigación:
Kwiatkowska et al. (1980) realizaron ensayos de enterramiento en suelo de láminas
vulcanizadas de composición definida y detectaron pérdidas sustanciales de peso
que alcanzaron hasta el 40% del peso inicial después de 91 días. La caracterización
adicional también reveló cambios en la densidad de la cadena de red de los
materiales, determinados en función de la duración del enterramiento del suelo y la
tasa de carga de negro de humo en el vulcanizado, así como la ocurrencia principal
del hongo Fusarium solani en la superficie del caucho. Estos autores afirmaron que
este microorganismo fue la causa de la degradación de láminas vulcanizadas y se
refirieron también a pruebas de degradación apropiadas, que se realizaron con el
cultivo puro, aunque no se presentaron datos específicos para probar esta
suposición [24].
En el primer informe de Williams et al. (1982), el autor introdujo experimentos con
Penicillium variabile, una cepa de hongos aislada de láminas vulcanizadas
deteriorado. Después de las pruebas de enterramiento del suelo, las suspensiones
de esporas inoculadas sobre una lámina condujeron a un aumento sucesivo de
biomasa en la superficie del material, como se muestra por determinación de
proteína celular cada 14 días, y se acompañó de una pérdida de peso de tiras de
caucho de hasta 13% días. Sin embargo, no se pudo determinar un aumento
adicional en la biomasa y en la pérdida de peso más allá de este período de tiempo
[24]. Usando la medida de la viscosidad de la solución como herramienta analítica,
el autor estimó una reducción del 15% en el peso molecular del poli-cis-1,4-
isopropeno después de 70 días. Sin embargo, la espectroscopía IR realizada sobre
el caucho deteriorado no reveló cambios en la estructura química, y el examen de
extractos de acetona por cromatografía en capa fina (TLC), cromatografía de
permeación de gel (GPC) y cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-
MS) no demuestran la existencia de productos de degradación. Por lo tanto, el autor
sugirió que microorganismos atacan a tales polímeros desde los extremos de la
8
cadena, formando intermediarios de cadena corta, y creciendo a expensas de estas
unidades [24].
En el segundo informe (Borel et al., 1982), se pueden aislar varios hongos que
deterioran el caucho a partir de placas de agar mineral que contienen caucho
vulcanizado en polvo como único sustrato y material de neumático deteriorado o
suelo dispersado en el agar como inóculo. El cultivo líquido realizado con cultivos
puros aislados durante 20 días reveló la formación de una capa micelial sobre la
superficie del caucho, así como pérdidas en peso de hasta 20% y una viscosidad
intrínseca de hasta 35%. Utilizando gel permeation chromatography (GPC), también
se detectó una reducción relativa de los pesos moleculares de los polímeros de
caucho en las muestras inoculadas con Fusarium solani, Cladosporium
cladosporioides y Paecilomyces lilacinus [24]. De manera interesante, el ataque al
caucho se detuvo después de 30 días, sin cambios adicionales en cuanto a
biomasa, pérdida de peso y distribución de peso molecular, pero podría ser
restaurado nuevamente después de la eliminación sucesiva de la capa protectora
de hongos y transferencia del sustrato de caucho al medio mineral cada 20 días. El
experimento apropiado con cladosporioides dio por resultado valores disminuidos
para el peso molecular promedio después de cada tratamiento [24].
Para el (2003) se publicó un artículo titulado “Degradation of Vulcanized and Non
vulcanized Polyisoprene Rubbers by Lipid Peroxidation Catalyzed by Oxidative
Enzymes and Transition Metals” realizado por Sato et al. En Japón, donde se
presentó un nuevo método para descomponer cauchos poli-cis-1,4-isopropeno
(llantas) no vulcanizado y vulcanizados mediante el control de las reacciones en
cadena de radicales libres de lípidos usando enzimas oxidativas, manganeso
peroxidasa (MNP), lacasa (Lac) y peroxidasa de rábano (HRP). El poli-cis-1,4-
isopropeno sintético no vulcanizado (IR) se degradó por los radicales libres de
ácidos grasos insaturados producidos por MNP, HRP, y una combinación de Lac/1-
hydroxybenzotriazole [25].
Igualmente, en el mismo país en el Laboratorio de Conversión de Biomasa, Instituto
de Investigación de madera, de la Universidad de Kyoto, un grupo de investigadores
en (2004) determinó que un basidiomiceto: hongo lignolitico, Ceriporiopsis
subvermispora, degradaba llantas usadas en un medio de madera. El hongo redujo
el contenido total de azufre de la llanta por 29% en 200 días, acompañado por la
escisión de los enlaces entre las cadenas de sulfuro de poli-cis-1,4-isopropeno. La
escisión oxidativa de enlaces de sulfuro por C. subvermispora demuestra que los
basidiomicetos ligninolíticos son posibles microbios para la desvulcanización
9
biológica de productos de caucho. Utilizando como título en su investigación
“Microbial Scission of Sulfide Linkages in Vulcanized Natural Rubber by a White Rot
Basidiomycete, Ceriporiopsis subvermispora”.
En 2009 la universidad pontificia Bolivariana realizó estudios sobre la
biodegradación de residuos de poliuretano en las zonas industriales donde se
efectuaron ensayos de respirometría en un equipo OXITOP, en los que se consumió
el 98% del oxígeno disponible a las 200 horas. La biodegradación se realizó en un
reactor de acumulación aireada, con una humedad del 40% y 25ºC de temperatura
durante 45 días. Se realizaron análisis de espectroscopía IR apareciendo una banda
en 610 cm, correspondiente a anillos aromáticos liberados cuando los enlaces de
los grupos amida II y IV se rompen. Se efectuó Microscopía Electrónica de Barrido
(SEM) observándose el cambio en la superficie del poliuretano [26].
En el Departamento de Biotecnología del Centro de Química e Ingeniería Química
de la Universidad de Lund, Suecia se elaboró un estudio por Katarina Bredberget
al. Denominado “desintoxicación microbiana de material de goma de residuos por
los hongos que pudren la madera” [27]. En el cual exponen que la desvulcanización
microbiana es un camino prometedor para aumentar el reciclaje de materiales de la
llanta. Uno de los obstáculos es que varios microorganismos ensayados para la des
vulcanización son sensibles a los aditivos de goma. Una manera de superar esto
podría ser para desintoxicar el material de la llanta con los hongos antes de la des
vulcanización. El hongo más eficaz, Resinicium bicolor, se utilizó para la
desintoxicación de material de la llanta [6].
Los trabajos mencionados anteriormente sirven de guía y apoyo para desarrollar un
nuevo proyecto el cual recoja los aspectos más relevantes, teniendo en cuenta las
limitaciones de tiempo, espacio, modo y lugar. Además, permiten tener un
preconcepto con miras a solucionar una problemática ambiental causada por las
llantas de desechos arrojadas en vertederos, quebradas, entre otros.
2.2 MARCO TEORICO
El desecho de llantas viene constituyendo un serio problema para la humanidad ya
que se van acumulando en vertederos o grandes acopios de cubiertas. La quema
de cubiertas produce dioxinas, furanos, xilenos, toluenos, óxidos de nitrógeno,
monóxido de carbono, anhídrido sulfuroso con emisión de metales pesados en sus
10
formas oxidadas y solubles, todos ellos altamente tóxicos, por lo que en general es
una práctica prohibida [6].
El caucho utilizado en las llantas puede ser de tipo natural o sintético, estos
contienen en su estructura: polímeros de Estireno, Butadieno, Acrilonitrilo,
Polibutadieno, Polisoprenos sintéticos, entre otros, que presentan diferentes
propiedades, pero en general son largas cadenas de polímeros de hidrocarburos
que contienen carbono e hidrógeno. Durante la vulcanización las cadenas se unen
entre sí por enlaces de azufre y con el agregado de negro de carbono y algunos
aditivos (11 a 13% de metales) se obtienen la elasticidad y la resistencia mecánica
y térmica de la llanta, necesaria para sus aplicaciones [1].
La estructura del caucho vulcanizado ha sido lograda para que la “biodegradación”
de este no sea posible durante y en las condiciones de uso como llantas. No
obstante, durante los últimos años se ha venido demostrando que muchos
compuestos considerados xenobióticos, finalmente y a través de la
experimentación, se han ido logrando cultivos microbianos y condiciones mediante
los cuales son factibles de biodegradar. Particularmente los hongos lignolíticos,
responsables de la pudrición blanca de la madera, han mostrado tener actividad de
degradación de varios compuestos previamente considerados como xenobióticos
[1].
2.2.1. Hongos de la podredumbre blanca. En la naturaleza, los hongos de la
podredumbre blanca (HPB) son Basidiomycetes y pertenecen a la clase
Hymenomycetes [28]. Entre los HPB se destacan Pleurotus ostreatus,
Lentinushirtus, Bjerkandera adusta, Irpexlacteus, Dichomitus squalens,
Phanaerochaete chrysosporium y Trametes versicolor. Además, Los HPB realizan
una función natural esencial en la conversión de lignina, la cual se define como un
polímero polifenólico heterogéneo que se degrada por oxidación a compuestos
aromáticos de más fácil degradación como el ácido vainillinico y ácido protocaténico
[28].
Dentro de los requerimientos nutricionales de estos hongos, se encuentra el
nitrógeno que se pueden encontrar en sales de amonio y en otros compuestos como
los aminoácidos; el carbono como la glucosa, celulosa; utilizan el azufre en forma
de sulfatos y el fósforo presente en fosfolípidos de membrana, siendo su principal
fuente el fosfato de potasio, igualmente otros elementos esenciales para el
desarrollo de estos hongos son el manganeso y el cobre implicados en la actividad
enzimática [28].El hongo de podredumbre blanca producen enzimas ligninolíticas,
11
tales como las lacasas, manganeso peroxidasas (MNP) y lignina peroxidasa (LIP),
y de enzimas hidrolizantes de hidratos de carbono, tales como amilasas, xilanasas,
celulasas y pectinasas [11]. Exactamente las enzimas de los hongos están
implicadas en la síntesis de melaninas son la L-dihidroxifenilalanina (L-DOPA), la
tirosina hidroxilasa (TH), catecol, glutaminil-3,4 dihidroxibenceno (GHB) y 1,8
didhidroxinaftaleno (DHN) [29]. Las melaninas pueden existir como radicales libres
que actúan como receptores o donadores de protones pues contienen grupos
carboxilo amino fenólicos e hidroxilo que pueden ser reducidos por iones metálicos
y oxidados por peróxido [30].
Los hongos de la podredumbre blanca son los únicos microorganismos que son
capaces de degradar eficientemente todos los componentes de las paredes
celulares de las plantas, tanto los carbohidratos como la lignina [31]. Varias
especies, por ejemplo, Ceriporiopsis subvermispora y Trametes versicolor se han
estudiado con gran detalle como organismos modelo para este complejo proceso
[31]. El ataque simultáneo de celulosa y lignina es la estrategia preferida de T.
versicolor, mientras que C. subvermispora es un deslignificante selectivo en las
primeras etapas de biotratamiento, que sólo secretan actividades bajas de enzimas
celulolíticas en una etapa tardía del cultivo, y Aparentemente carece de actividad
cellobiohidrolasa [31]. Sin embargo, los efectos sobre la degradación de la lignina
en cultivos mixtos han recibido poca atención al ser poco eficiente como precursores
para la producción de enzimas. Los cultivos mixtos de hongos podrían conducir a
una mayor producción de enzimas a través de interacciones sinérgicas, pero el
resultado final parece depender de la combinación de especies en particular o del
modo de interacción entre especies y de las condiciones microambientales o
nutricionales en el sustrato bajo colonización [32].
2.2.2 Biodegradación de caucho natural. La biodegradación de caucho
vulcanizado es posible, aunque es difícil debido a la interrelación de las cadenas de
poli-(cis -1,4-isopreno) [6]. Durante la vulcanización, las cadenas de poli-
isopropeno del caucho están covalentemente unidos con puentes de sulfuro que
van desde los puentes de monosulfidicos y disulfidico a los puentes de polisulfuro
[6]. La base molecular de la degradación del caucho es aun escasamente entendida
[33]. Sin embargo, algunos autores han predicho la ruta de biodegradación del
caucho en base a distintas técnicas in vitro y revisión bibliográfica. Sebastian Hiessl
et al (2012) ha propuesto una posible ruta metabólica en la biodegradación de poli-
cis-1,4-isopropeno por acción enzimática la cepa VH2 de G. polyisoprenivorans.
12
La figura 1 presenta la posible ruta metabólica seguida por el hongo para
descomponer poli-cis-1,4-isopropeno. En la figura 1 se muestra el compuesto poli-
cis-1,4-isopropeno por fraccionamiento en moléculas menores. El arranque del
proceso de descomposición se puede asumir por la hidrofobicidad de las superficies
celulares del hongo afectada por la presencia de ácidos micólicos. Probablemente,
además de la aparición de los ácidos micólicos, la producción de biosurfactantes es
importante para la formación de biopelículas, que permite el contacto directo
con poli-cis-1,4-isopropeno en los materiales de goma sólida, que se requiere para
la degradación de goma por estas cepas.
En general, los biosurfactantes se pueden subdividir en compuestos de bajo peso
molecular tales como glicolípidos y lipopéptidos y compuestos poliméricos de alto
peso molecular tales como polisacáridos, lipoproteínas, y
lipopolisacáridos. Producción de compuestos de superficie activa se ha informado
de varias cepas de Gordonia. Se requiere el contacto directo de la degradación del
caucho por estas dos especies nuevas polyisoprenivorans Gordonia y G. westfalica.
Nocardia sp. 835A cepa, que exhibió un crecimiento razonable en caucho natural y
sintético, fue una de las primeras cepas que se ha investigado en detalle con
respecto a la biodegradación de caucho, y se postuló que la escisión oxidativa de
poli (cis-1,4-isopropeno) se produce en el doble enlace.
Al igual que Gordonia especies, Nocardia spp. no producen halos translúcidos y
requieren contacto directo a los sustratos de caucho. Cromatografía de permeación
en gel (GPC) análisis de los productos de degradación formados durante la
degradación de CN por el Gram-positivo Nocardia sp. 835A deformación y por el
Gram-negativo Xanthomonas sp. 35Y deformación identificó 12-oxo-4,8-dimetil-
trideca-4,8-dienal como un importante y 8-oxo-4-metil-4-nonenal como un
componente menor. Sobre la base de la ubicación de O en los productos de
degradación, los autores postularon una escisión oxidativa en el doble enlace en la
cadena principal de poli-cis-1,4-isopropeno. Bode et al. identificado (6Z) -2,6-
dimetil-10-oxo-undec-6 enoico, ácido (5Z) -6-metil-undec-5-eno-2,9-diona, y (5Z,
9Z) 6,10-dimethylpentadec-5,9-dieno-2,13-diona en forma de productos de
degradación en un cultivo líquido de Streptomyces coelicolor cepa 1A después del
cultivo de las células en el caucho vulcanizado. Esta bacteria pertenece al primer
grupo de bacterias que degradan caucho natural. Sobre la base de la escisión
oxidativa postulado y sobre los productos de degradación identificados, se propuso
una vía para la degradación del caucho natural, incluyendo (i) la oxidación de un
aldehído intermedio de un ácido carboxílico, (ii) un ciclo de β-oxidación, (iii) la
oxidación del doble enlace conjugado produciendo un ácido β-ceto, y (iv) su
13
posterior descarboxilación. En vitro experimentos también revelaron la presencia de
dos átomos de O en el producto de degradación reducida 12-hidroxi-4,8-
dimethyltrideca-4,8-dien-1-ol, divulgar, por tanto un mecanismo de dioxigenasa [34].
Figura 1. Predicción de la degradación del caucho poli (cis-1,4-isopropeno) por la
cepa VH2 de G. polyisoprenivorans [35].
14
Por último, estas caracterizaciones requieren de análisis analíticos complejos. Lo
cual dificulta el cálculo del potencial biodegradativo en función de los productos
metabólicos
2.3. MARCO LEGAL
La viabilidad legal de este proyecto, se estimó a partir de la investigación de las
normativas y requisitos legales actuales en el país para el tratamiento de las llantas
usadas. Los artículos 79 y 80 de Resolución 1457 de julio de 2010 de la Constitución
Política Colombiana de 1991, consagran el derecho colectivo a gozar de un
ambiente sano y el deber del Estado de proteger la diversidad e integridad del
ambiente, planificar el manejo y aprovechamiento de los recursos naturales
renovables a fin de garantizar su desarrollo sostenible, su conservación,
restauración o sustitución y prevenir los factores de deterioro ambiental, [36].
Por otra parte, la reglamentación Del Código Nacional De Los Recursos Naturales
Renovables Y De Protección Del Medio Ambiente. Artículo 38, por razón del
volumen o de la cantidad de los residuos o desechos, se podrá imponer a quien los
produce la obligación de recolectarlos, tratarlos o disponer de ellos, señalándole los
medios para cada caso. Decreto 2811 De 1974 [37]. El Art. 15 de la Resolución
1457 del 2010, impuso a las autoridades municipales y ambientales, en el ámbito
de sus competencias, el deber de:
a) Fomentar el aprovechamiento y/o valorización de llantas usadas.
b) Apoyar el desarrollo de programas de divulgación y educación dirigidos a la
comunidad y de campañas de información establecidas por los productores, con el
fin de orientar a los consumidores sobre la obligación de depositar las llantas usadas
según los sistemas de recolección selectiva y gestión ambiental."
Finalmente, El artículo 5 de la ley 99 de 1993, decreta que al ministerio del medio
ambiente deber Regular las condiciones generales para el saneamiento del medio
ambiente, y el uso, manejo, aprovechamiento, conservación, restauración y
recuperación de los recursos naturales, a fin de impedir, reprimir, eliminar o mitigar
el impacto de actividades contaminantes, deteriorantes o destructivas del entorno o
del patrimonio natural [38].
Las leyes anteriormente mencionadas tienen relación con este proyecto, debido que
se busca una solución a la contaminación del medio ambiente y proliferación de
zancudos causada por las llantas de desechos arrojadas en distintos vertederos de
15
la ciudad e incluso el país. Por tanto, en este proyecto se fomenta el
aprovechamiento y/o valorización de llantas usadas. Además, de recuperar los
residuos mediante diversas técnicas para su reciclaje.
2.4. MARCO CONCEPTUAL
BACTERIAS: son organismos unicelulares microscópicos, sin núcleo ni clorofila,
que pueden presentarse desnudas o con una cápsula gelatinosa, aisladas o en
grupos y que pueden tener cilios o flagelos. La bacteria es el más simple y
abundante de los organismos y puede vivir en tierra, agua, materia orgánica o en
plantas y animales [39].
BIODEGRADACIÓN: es un proceso natural, ventajoso no sólo por permitir la
eliminación de compuestos nocivos impidiendo su concentración, sino que además
es indispensable para el reciclaje de los elementos en la biosfera, permitiendo la
restitución de elementos esenciales en la formación y crecimiento de los organismos
(carbohidratos, lípidos, proteínas). La descomposición puede llevarse a cabo en
presencia de oxigeno (aeróbica) o en su ausencia (anaeróbica). La primera es más
completa y libera energía, dióxido de carbono y agua, es la de mayor
rendimiento energético. Los procesos anaeróbicos son oxidaciones incompletas y
liberan menor energía [40].
CAUCHO NATURAL (CN): (poli-cis-1,4-isopropeno) con una masa molecular
media de aproximadamente 106 Da, es el principal constituyente (> 90% del peso
seco) de caucho natural (CN) obtenido a partir del látex de Hevea brasiliensis.
Alternativamente, el poli-cis-1,4-isopropeno en el mismo intervalo de masa se
sintetiza químicamente para obtener el llamado caucho de isopropeno (IR). Estos
cauchos en bruto se convierten usualmente en productos de caucho mediante el
proceso de vulcanización que conduce a enlaces cruzados entre las cadenas de
polímero ya sea por calentamiento en presencia de azufre elemental (por ejemplo,
durante la fabricación de neumáticos que también contienen otro tipo de cauchos
sintéticos) O por irradiación y peroxidación, respectivamente, como en el caso de
los guantes de látex [33].
CAUCHO SINTETICO: puede llamarse caucho sintético a toda sustancia elaborada
artificialmente que se parezca al caucho natural. Se obtiene por reacciones
químicas conocidas como condensación o polimerización, a partir de determinados
hidrocarburos insaturados. Los compuestos básicos del caucho sintético llamados
16
monómeros, tienen una masa molecular relativamente baja y forman moléculas
gigantes denominadas polímeros. Después de su fabricación, el caucho sintético se
vulcaniza [41].
DESECHOS SOLIDOS: se denominan comúnmente “Basura” y representan una
amenaza por su producción excesiva e incontrolada, ya que, contribuyen a la
contaminación de las aguas, la tierra, el aire, y también afean el paisaje. Además,
ponen en peligro la salud humana y la naturaleza en general [42].
HONGO LIGNOLITICO: los cuales se alimentan de la lignina que deja la madera
con un tono blanquecino; es decir, del color de la celulosa [43].
MATERIALES LIGNOCELULÓSICOS: son una fuente renovable, abundante y
barata que en un futuro pueden proveer de energía, compuestos químicos y
materiales a la humanidad. Estos recursos son generalmente considerados en el
sector agrícola e industrial como un desperdicio o un subproducto de bajo valor
agregado, tales como: el bagazo de la caña de azúcar, la paja de trigo o arroz y
residuos forestales o bien residuos industriales como lo desechos de la industria del
papel [44].
MATERIAL XENOBIÓTICO: nuevas estructuras químicas producidas por el
hombre, que no han estado en el planeta (al menos en suficiente cantidad) durante
la evolución, por lo que no habría habido el suficiente tiempo como para que
evolucionen microorganismos con capacidades para degradarlos [1].
VULCANIZACIÓN: es el proceso utilizado para aumentar el punto de fusión del
caucho y hacerlo suficientemente duro como para ser usado en la fabricación de
cauchos para automóviles y otros productos [45].
RECICLAJE DE LLANTAS USADAS Y LLANTAS NO CONFORME. Es el proceso
mediante el cual se aprovechan y transforman las llantas usadas recuperadas y se
devuelve a los materiales su potencialidad de reincorporación como materia prima
para la fabricación de nuevos productos [46].
LLANTA USADAS. Toda llanta que ha finalizado su vida útil y se ha convertido en
resido sólido [41].
17
LLANTA NO CONFORME. Toda llanta que no cumple con los requisitos técnicos o
que presenta defectos de fabricación para su uso normal y natural en vehículos
automotores [46].
TRATAMIENTO. Es el conjunto de operaciones, procesos o técnicas mediante los
cuales se modifican las características de las llantas fuera de uso, incrementando
sus posibilidades de aprovechamiento o para minimizar los impactos ambientales y
los riesgos para la salud humana [47].
GRANO DE CAUCHO RECICLADO. (GCR) Todo aquel producto obtenido del
proceso de trituración de llantas usadas y no conforme, compuesto
fundamentalmente por caucho natural y sintético, que no contiene materiales
ferromagnéticos, textiles, y/o elementos contaminantes [48].
APROVECHAMIENTO. Es el proceso mediante el cual, a través de un manejo
integral de los residuos sólidos, los materiales recuperados se reincorporan al ciclo
económico y productivo en forma eficiente, por medio de la reutilización, el reciclaje,
la incineración con fines de generación de energía, el compostaje o cualquier otra
modalidad que conlleve beneficios sanitarios, ambientales, sociales y/o económicos
[48].
CENTROS DE TRATAMIENTO Y/O APROVECHAMIENTO. Sitios en donde se
realizan actividades de almacenamiento temporal, separación, clasificación y
transformación de llantas usadas, y llantas no conforme, sujetos al cumplimiento del
ordenamiento ambiental y demás disposiciones vigentes [47].
GENERADOR: Persona natural o jurídica, pública o privada, que produce llantas
usadas, y llantas no conforme en las condiciones de que trata la resolución 1457
del 29 de julio de 2010, o aquella que la modifique, sustituya o derogue [36].
PARAMETROS DE REGRESIÓN
• Coeficientes de determinación múltiple (R2) y múltiple ajustado (R2Adj), que
denotan el porcentaje de varianza justificado por las variables independientes.
Este coeficiente tiene en cuenta el tamaño del conjunto de datos.
𝑅𝑎𝑑𝑗2 = 1 − (𝑛 − 1).
∑ (𝑦𝑖 − �̂�𝑖)2𝑛
𝑖=1
𝑛 − 𝑝. ∑(𝑦𝑖 − �̅�)2
𝑛
𝑖=1
18
• La Suma de Cuadrados de los Errores (SSE), que representa la suma de
cuadrados de las desviaciones de los valores de los residuos respecto a su
media muestral.
• Se utilizó la raíz del error medio cuadrático (RMSE), el cual compara los valores
observados con os estimados mediante los distintos métodos.
𝑅𝑀𝑆𝐸 = √∑ (𝑦𝑖 − �̂�𝑖)2𝑛
𝑖=1
𝑛 − 𝑝
𝑦𝑖=Valor observado
�̅�=Valor medio de la variable dependiente
�̂�𝑖=Valor predicho
𝑛= Número de observaciones
𝑝= Número de parámetros del modelo
19
3. DISEÑO METODOLOGICO
3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN
La investigación desarrollada en este proyecto, está enmarcada en los campos
experimental y comparativo; sostenido en un enfoque cuantitativo, esto debido que
en su desarrollo se realizaron dos sesiones diferentes de laboratorio las cuáles son
las bases de los resultados debido a los datos arrojados. En base a lo anterior se
somete la realidad a controles que permitan realizar un estudio extrapolable y
generalizable, además se acompaña el enfoque cuantitativo con un enfoque
cualitativo el cual interpreta la recopilación de datos y ayudados por un análisis
informático estadístico, se obtiene información de calidad y certera para dar
respuesta y confirmar o anular los objetivos estipulados a lo largo del trabajo [49].
En los laboratorios de Microbiología de la universidad de San Buenaventura se
obtuvieron los resultados de la prueba realizadas a la capacidad de biodegradación
de un hongo lignolítico y el crecimiento microbiano de estos. Con los datos
obtenidos y su posterior comparación, se adquirieron las bases para determinar los
rangos óptimos de dosificación de las enzimas y condiciones óptimas para el medio
de cultivo y el crecimiento microbiano, además de las concentraciones para el
sustrato.
3.2 POBLACIÓN Y MUESTRA
• Cultivo de hongo de la podredumbre blanca tomado de madera en
descomposición
• Polvo de llanta. Fueron tomados 13 g de llanta de desecho pulverizada. La
muestra se determinó a partir de las siguientes formulas [50]:
𝑛𝑜 =𝑠2
𝑣2𝑛 =
𝑛𝑜
1 +𝑛𝑜
𝑁
𝑠2 = 𝑝(1 − 𝑝) 𝑣2 = (𝑆𝑒)2
𝑛𝑜= tamaño provisional de la muestra
𝑛=tamaño de la muestra
20
𝑁=población (13 g)
𝑠2=varianza de la muestra
𝑣2=varianza de la población
𝑆𝑒=error estandar
𝑝=probabilidad
𝑆𝑒= 0,01, la desviación de la muestra con respecto a la población total será menor
de 0,01.
El 99% del caucho pulverizado seleccionado es apto para su uso en las mediciones
de las variables.
𝑠2 = 0,99 ∗ (1 − 0,99) = 0,0099
𝑛𝑜 =0,0099
0,012= 99
𝑛 =99
1 +99
13
= 11,5 𝑔
La muestra es de 11,5 g aproximadamente de 13 g de llantas de desechos
pulverizada.
3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCION DE DATOS
3.3.1 Fuentes primarias. La información preliminar, necesaria para la realización
de la investigación fue suministrada mediante observaciones, experimentos y
ensayos realizados en el laboratorio de la Universidad San Buenaventura
comenzando con el reconocimiento del microorganismo, preparación del inoculo y
toma del tiempo de inhibición. Posteriormente, se aplicaron métodos analíticos tales
como determinación de la biomasa, determinación del crecimiento molecular,
determinación del sustrato.
3.3.2 Fuentes secundarias. Para la recopilación de información se hizo uso de las
bases de datos de Dialnet®, Scielo y Science Direct® de la Universidad de San
Buenaventura, donde se encontraron diversos artículos. Además de información de
periódicos, libros, tesis, documentos y revistas de ingeniería química con el objeto
de ampliar la información y obtener datos más precisos para el proyecto.
21
3.3.3 instrumentos
Físicos
• Hongo lignolítico
• Llanta pulverizada
• Balanza analítica
• Caja de Petri
• Incubadora.
• Medios de cultivo
3.4 HIPOTESIS
Ha. Si se aplica directamente el hongo de podredumbre blanca en el caucho de las
llantas usadas se podrá acelerar potencialmente el proceso de degradación de las
mismas.
Ho. Si se aplica directamente el hongo de podredumbre blanca en el caucho de las
llantas usadas no se acelera el proceso de degradación de las mismas.
3.5 VARIABLES
3.5.1 Variables independientes
• Concentraciones del sustrato
• Masa de llanta pulverizada
• Tiempo
3.5.2 Variables interviniente
• Temperatura.
• Concentración de inóculo
• Cantidad de agar
22
3.5.3 Operacionalización de variables
Tabla 1. Variables de medición
VARIABLE DIMENSION INDICADORES
Temperatura de incubación Física °C
Concentración del sustrato Física Mg/L
Tiempo de incubación Física Días
masa de Biomasa Física G
3.6 PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN
Durante el desarrollo de las experiencias en la universidad de San Buenaventura se
contó con los instrumentos metodológicos básicos para recopilar de manera
ordenada cada dato requerido en el desarrollo de la investigación. Se hizo un
análisis comparativo por medio de ensayos discontinuos tal como lo especifican los
objetivos del trabajo. Los ensayos discontinuos corresponden a la determinación de
las propiedades del material posterior a 30 días de exposición a la actividad
enzimática del hongo de la podredumbre blanca. Adicionalmente, se realizó un
ensayo control o blanco el cual correspondió a la determinación de las propiedades
del material sin exposición a actividad enzimática del hongo de la podredumbre
blanca. La evaluación de los cambios en las propiedades del material permitió
conocer cualitativamente el potencial del hongo para tolerar y biodegradar el
material
3.6.1 Polímero. La fracción de llanta usada se obtuvo de un vertedero de residuos
industriales ubicado en Cartagena, Colombia (10°24'30.2"N 75°30'02.1"W). La
fracción de llanta fue lavada con agua destilada y secada en horno (Industrias
TERRIGENO, modelo D8) a 105°C. Posteriormente, la fracción de llanta se trituró
mediante un cutter de llanta J-1200 para obtener un polvo fino de llanta con tamaño
de partículas de 2-4 mm de diámetro. La composición elemental de la llanta se
determinó mediante análisis Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) a condiciones
de 25°C y 1 atm de presión [46].
23
Tabla 2. Composición de la llanta en % P/P
En la tabla 2 se observan los resultados del análisis EDS, el cual arroja la
composición elemental en %P/P de las llantas usadas. En la tabla 2 se observó que
la llanta está compuesta alrededor del 88.13 % de carbono en relación al total de
los miligramos de llanta, lo cual favorece a la biodegradación debido que su principal
componente es carbono orgánico y este a su vez es un sustrato biodegradable por
el hongo [51]. Por otra parte, la llanta contenía alrededor de 2.50% P/P de sodio.
Concentraciones de sodio superiores a 3% disminuyen el transporte a través de la
membrana causando pérdidas significativas en el rendimiento metabólico del hongo
[52]. No obstante, el sustrato utilizado presentó condiciones nutricionales favorables
para el crecimiento de los microrganismos.
3.6.2 Preparación del inoculo. Un hongo de la podredumbre blanca (HPB) fue
recuperado desde un tronco de madera en proceso de putrefacción a condiciones
meteorológicas locales (10°23'10.2"N 75°27'59.1"W). El hongo se cortó en piezas
de 1x1 cm, se cultivó superficialmente en 20 ml de Agar Sabouraud sólido utilizando
cajas de petri de 9 cm de diámetro. El cultivo se realizó a temperatura constante de
37±2°C durante 10 días con la ayuda de una incubadora (memmert, Modelo: 600).
Los micelios resultantes del cultivo se transfirieron a un mezclador previamente
esterilizado junto con 60 ml de agua esterilizada hasta homogenizar completamente
durante 30 segundos. La suspensión de esporas fue cultivada nuevamente en para
posterior análisis microbiológico. El hongo se caracterizó morfológicamente
mediante observación macroscópica y microscópica con un microscopio óptico de
barrido electrónico Quanta 650 FEG SEM ambiental (ESEM) con contraste de fase
y aumento de 400X.
En la tabla 3 muestra la comparación del análisis morfológico del hongo de la
podredumbre blanca estudiado con la información de la literatura. De acuerdo con
la comparación se puede concluir que el hongo utilizado en esta investigación fue
Pleurotos Ostreatus. Este tipo de hongos se caracteriza por crecer en climas con
bosques tropicales y subtropicales, e igualmente puede ser cultivado artificialmente
[53]. De acuerdo a la revisión bibliográfica, no se reportan estudios de
Elemento % en Peso
(mg del elemento/mg totales)
C 88.13
O 06.50
Na 02.50
S 02.79
24
bioremediación que evalúen la factibilidad biodegradativa de las llantas por acción
enzimática de Pleurotus Ostreatus.
Tabla 3. Comparación del análisis morfológico del hongo de la podredumbre blanca
estudiado con la información de la literatura.
Estructura
Macroscópica
Fuente: Propia
Fuente: internet
https://www.flickr.com/photos/teresalaloba/8172718529.
Estructura
Microscópica
Fuente: Propia
Fuente: Adaptado de
Pallavi et al. 2011
25
3.6.3 Inspección microscópica electrónica. Los cambios estructurales durante
la biodegradación del caucho por la acción enzimática del hongo fueron evaluados
mediante scanning electron microscopy (SEM). Para ello, dos cortes 1x1 cm de
llanta fueron impregnados con los micelios del hongo e incubados a temperatura
constante de 37±2°C durante 40 días. Las muestras fueron recubiertas en oro y
analizadas morfológicamente operando el microscopio electrónico (Microscopio
Electrónico Quanta FEG 650 ambiental (ESEM) a 15 KV.
3.6.4 Cinética de germinación del hongo. Seis concentraciones de polvo de
llanta (2.5, 5, 7.5, 10, 12.5) fueron inoculadas con 2 ml de la suspensión de esporas
en 20 ml de Agar Sabouraud contenido en cajas de petri de 9 cm de diámetros. El
ensayo se realizó por triplicado a temperatura constante de 37±2°C con la ayuda de
una incubadora (Memmert, Modelo: 600). Los micelios obtenidos luego de 21 días
de incubación fueron recolectados, secados a 105°C en un horno (Industria
Terrigeno, modelo: D8) y pesados en una balanza analítica. Un ensayo blanco
conteniendo solo 2 ml de inoculo fue realizado por triplicado para descontar el peso
de biomasa germinada por el consumo de nutrientes aportados por el Agar.
3.6.5 Inspección por espectroscopía infrarroja por transformada de fourier
(FTIR). Para evaluar los cambios moleculares en las muestras de llantas inoculadas
con y sin hongos, se sometieron las muestras a análisis infrarrojo de Transformada
de Fourier. El análisis se realizó usando un equipo infrarrojo Marca Perkín Elmer,
modelo Spectrumone, detector DTGS. De cada muestra se hizo una pastilla de KBr
en una relación aproximada de 100:1mg, KBr-Muestra, a la cual se le aplicó una
presión de 5 Toneladas. Posteriormente, las muestras en forma de pastilla se
leyeron en el infrarrojo.
3.6.6 Inspección por análisis de tensión. Para observar el cambio en la
deformación de las muestras de llantas con hongo y sin este, se sometieron las
muestras a análisis de tensión a condiciones ambientales estándar. El análisis se
realizó usando un equipo para ensayos de tensión Marca Digimess. Se tomaron 2
muestras de llantas (probetas acordes a las normas ASTM D412) se colocaron en
el equipo y se les aplicó fuerza en direcciones opuestas hasta llevarlas al punto de
quiebre. Posteriormente, el equipo arrojó los datos del módulo de Young y la fuerza
soportaba para cada muestra de llantas. Por último, se compararon los datos
arrojados de las muestras para evaluar cual resistió mayor fuerza al quiebre y cual
fue más rígida.
26
3.6.7 Modelamiento del proceso germinativo. Para la determinación del
potencial biodegradativo del hongo se emplearon 3 modelos de germinación que
permitieron realizar una inspección cinética del proceso. Los parámetros cinéticos
de cada modelo se calcularon usando el toolbox curve fitting del software MATLAB
(161052). La descripción de cada uno de esto modelos se encuentra a continuación.
3.6.7.1 Modelo de monod [47]
Modelo general
𝑓(𝑥) = 𝑢𝑚𝑎𝑥 (𝑥
𝑘𝑚 + 𝑥)
Donde
𝑢𝑚𝑎𝑥= representa la tasa de máxima de crecimiento especifico (h-1)
𝑘𝑚=Coeficiente medio de Saturación (g/L)
𝑥=Concentracion de Sustrato
3.6.7.2 Modelo de haldane[46]
𝑓(𝑥) = 𝑢𝑚𝑎𝑥 (𝑥
𝑘𝑚 + 𝑥 + 𝑘1𝑥2)
Donde:
𝑢𝑚𝑎𝑥= representa la tasa de máxima de crecimiento especifico (h-1)
𝑘𝑚=Coeficiente medio de Saturación (g/L)
𝑥=Concentracion de Sustrato
𝑘1=Coeficiente de Inhibición cinética de crecimiento de Haldane (g/L)
3.6.7.3 Modelo de hinshelwood [47]
𝑓(𝑥) = 𝑢𝑚𝑎𝑥 (𝑥
𝑘𝑚 + 𝑥) (1 − 𝑘𝑝𝑃)
Donde:
𝑢𝑚𝑎𝑥= representa la tasa de máxima de crecimiento especifico (h-1)
𝑘𝑚=Coeficiente medio de Saturación (g/L)
𝑥=Concentracion de Sustrato
𝑘𝑝=Coeficiente de propagación (g/L)
27
3.7 ANÁLISIS ESTADÍSTICO
El software MINITAB 17 (Licencia 17.1.0.0) fue empleado para examinar
estadísticamente los datos experimentales mediante análisis ANOVA. La mínima
diferencia significativa de Fisher se calculó con una confianza del 95% para
comparar por parejas los rendimientos de la germinación. El software también fue
empleado para la validación de los modelos mediante parámetros de regresión
como son: R2, R2Adj, SSE, RMSE.
28
4 RESULTADOS
4.1 INSPECCION SEM DEL PROCESO BIODEGRADATIVO
Figura 2. Análisis de microscopia electrónica para la superficie del caucho
expuesto a biodegradación luego 0 días (a), 16 días (b) y 40 días (c).
(a) (b) (c)
Fuente: los autores
En la figura 2 se presentan los cambios sufridos en la superficie de la llanta de
desecho luego de 40 días de biodegradación enzimática con el hongo de
podredumbre blanca durante un periodo total de 40 días.
La figura (2a) corresponde a la superficie de la llanta usada antes de ser inoculada
con el hongo de podredumbre blanca. En la figura 2a, se observan un deterioro
previo de la superficie del material causado por la actividad metabólica de bacterias
nativas del caucho. En la figura (2b) se presenta la llanta luego de 20 días de
continua biodegradación. En la figura (2b) se observa que el hongo se fijó a la
superficie de la llanta generando erosión del material. Probablemente, la acción
enzimática del hongo rompió los puentes de azufre que enlazan poliméricamente al
poli-cis-1,4-isopropeno. Por tanto, se generaron daños estructurales similares a los
presentados en la madera por fractura del material dúctil, creando cavidades y
fisuras [1]. Posterior a los 40 días de biodegradación, la fisura del material fue
visualmente mayor, indicando que la erosión es progresiva al tiempo de exposición
del material a la acción enzimática del hongo. Por tanto, la inspección superficial del
material demostró que el hongo de la podredumbre blanca presenta actividad
biodegradativa y afinidad sobre los hidrocarburos que conforman el material
polimérico de la llanta.
29
4.2 INSPECCION POR ANALISIS DE TENSIÓN
Figura 3. Graficas de desplazamiento vs fuerza del Análisis de Tensión de las
muestras de llanta sin hongo y con hongo
(a) (b)
Fuente: los autores
Los cambios mecánicos en el caucho por biodegradación enzimática fueron
evaluados mediante análisis de tensión. El método permitió aplicar fuerzas iguales
en sentido opuesto con el objetivo de evaluar la disminución en la elasticidad y
rigidez entre el material biodegradado y sin biodegradar [55]. Para evaluar lo anterior
se debe calcular el módulo de Young, el corresponde a la constante de
proporcionalidad que relaciona el esfuerzo y la deformación unitaria. El caculo de la
pendiente de la gráfica corresponde al módulo de Young o de elasticidad del
material en cuestión y se representa por la letra E.
En la figura 3 se muestran las gráficas de desplazamiento contra fuerza de 2 tiras
de llantas. La muestra (3.a) fue muestra blanco y la otra fue una tira de muestra
inoculada durante 45 días. Para la muestra 3a se necesitaron 199.63 N para
alcanzar la ruptura del caucho, con esta fuerza se logró un estiramiento de 19.45
mm en el caucho. Para la figura (3b), se necesitaron 175,03 N para realizar una
ruptura del caucho y lograr un estiramiento de 20.64 mm. Se pudo observar la
disminución en la cantidad de fuerza que soportó una tira y otra, esta diferencia fue
de 24.6 N, este valor confirma la acción biodegradativa del hongo aplicada a la llanta
reciclada debido que redujo la fuerza que este material soporta en su estado natural.
Además, las enzimas van disminuyendo la cantidad de tensión en las muestras, lo
que hace el caucho se vuelva más elástico.
198
0
40,1
80,2
120,3
160,4
0 3 6 9 12 15 18 21
Fuerza (N)
Desplazamiento (mm)
168
0
40,1
80,2
120,3
160,4
0 3 6 9 12 15 18 21
Fuerza (N)
Desplazamimento (mm)
30
4.3 INSPECCIÓN DE ANALISIS FTIR
Los cambios químicos en el caucho por biodegradación enzimática fueron
evaluados mediante espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier. El
método permitió realizar lecturas de los enlaces moleculares del poli-cis-1,4-
isopropeno en la superficie del caucho. El análisis se hizo con unas condiciones de
temperatura de 22°C, resolución de 4 cm-1, numero de barridos de 16 y un rango de
numero de ondas de 400-4500 cm-1. La figura 4 presenta el espectro de honda para
el ensayo blanco delimitado la banda de estiramiento azul y el espectro de honda
del caucho luego de ser expuesto a biodegradación delimitado en la banda de
estiramiento negra.
En la figura 4 se evidencia un decremento en los picos del espectro en la región de
400 cm-1 a 1200 cm-1, lo cual indica roturas de algunos grupos funcionales en la
cadena polimérica del poli-cis-1,4-isopropeno tales como los enlaces C=C,
carbonilo, metilo y enlaces tipo ester. Los cambios en la banda de estiramiento entre
los picos 1400 cm-1 y 1200 cm-1 indican la formación de alcaloides. Adicionalmente,
se presentó un decremento en la banda de estiramiento entre el pico 3200 cm-1 y el
pico 2800 cm-1, longitudes donde se presenta la vibración del radical CH2. No
obstante, se confirma la presencia de actividad biológica por parte del hongo de la
podredumbre blanca sobre la superficie de la llanta usada al presentarse cambios
en la estructura química en la superficie del caucho.
Esto resultados son consecuentes con los estudios realizados por Ali Shah et al.
(2013) [6]. Los autores reportaron variaciones en el pico 834 cm-1 donde hay
estiramiento del doble enlace cis-1,4. Al igual que se reportó la aparición de cetonas
y alcaloides como metabolitos del proceso de descomposición enzimática del
caucho. Finalmente se sugiere que el mecanismo de biodegradación es oxidativo.
Concluyéndose que el proceso es tendiente al ataque de los enlaces C-O y C=O.
31
Figura 4. Superposición de los espectros obtenidos para las dos muestras
analizadas: Caucho con hongo (azul), Caucho sin hongo (negro)
Fuente: los autores
4.4 EFECTO DE LA CONCENTRACION DE SUSTRATO SOBRE LA
PRODUCCIÓN DE BIOMASA
En la figura 5, se observa el crecimiento del hongo para concentraciones de sustrato
en el intervalo de 0 mg/L a 15 mg/L. La concentración de sustrato de 0 mg/L
corresponde a los ensayos blancos, los cuales permitieron descontar la cantidad de
110± 4 mg de biomasa seca obtenida a partir de los nutrientes presentes en el
medio. La mayor cantidad de biomasa seca de 619 mg se obtuvo a concentraciones
de llanta de 15±0.07 mg/L. Por otra parte, la menor cantidad de biomasa seca de
365 mg se obtuvo para la concentración de llanta de 2.5±0.07 mg/L. Este resultado
es consecuente con los planteamientos de la ley de Monod, la cual describe el
crecimiento microbiano como una función exponencial de la concentración de
sustrato [20]. No obstante, altas concentraciones de polvo de llanta en el medio de
cultivo estimulan la producción de biomasa. De acuerdo al análisis ANOVA, se
presentó diferencia significativa (P˂0.05) únicamente para las concentraciones de
2.5, 10 y 15 mg/L, indicando que el diferencial de concentración de sustrato se debe
mantener sobre los 5 mg/L para evidenciar el efecto del sustrato sobre la velocidad
de generación celular.
32
Figura 5. Germinación del Hongo de la podredumbre blanca a diferentes
concentraciones de llanta.
Fuente: los autores
4.5 ANÁLISIS DE BONDAD DE LOS MODELOS MATEMATICOS
Figura 6. Valores Experimentales y Predichos en función de la concentración para
el modelo de monod
Fuente: los autores
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15
Bio
mas
a (g
)
Concentraciòn de sustrato (mg llanta/L SAR)
Biomasa
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15
Biomasa
Monod
Concentración (mg de llanta / Litro de medio)
Biomasa (g)
33
Figura 7. Valores Experimentales y Predichos en función de la concentración para
el modelo de Haldane
Fuente: los autores
Figura 8. Valores Experimentales y Predichos en función de la concentración para
el modelo de Hinshelwood
Fuente: Los Autores
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15
Biomasa
Haldane
Concentración (mg de llanta / Litro de medio)
Biomasa (g)
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15
Biomasa
Hinshelwood
Concentración (mg de llanta / Litro de medio)
Biomasa (g)
34
Tabla 4. Valores del ajuste de los modelos matemáticos.
Fuente: los autores
En las figuras 6, 7 y 8 se presentan los ajustes de los modelos de monod, haldane,
hinshelwood. De acuerdo con los resultados los tres (3) modelos mostraron un buen
ajuste, lo cual se evidencia en la tabla 4, donde se observan valores de 𝑅2 entre
0.90 y 0.97. En la tabla 5 se presentan los coeficientes de los modelos, los cuales
presentan en común el coeficiente de 𝜇𝑚𝑎𝑥 definido como tasa de crecimiento
específica máxima o máxima velocidad de generación de biomasa. No obstante, los
valores de la constante 𝜇𝑚𝑎𝑥 son indicadores del potencial de la llanta para
generación de biomasa Fungi. El mayor 𝜇𝑚𝑎𝑥 se alcanzó gracias al modelo de
Monod, el cual mostró mayor veracidad al presentar un R2= 0.97, Esto indica que
existe una relación perfecta al momento de predecir los parámetros calculados en
base a los datos reales obtenidos [56]. De acuerdo al modelo solo el 83% de la
varianza de la variable dependiente tiene un efecto directo en la germinación del
hongo. Además, ayuda a explicar el comportamiento sinodal al cual se ajusta en
cada modelo y a su vez lograr representar la fase exponencial del crecimiento
microbiano [57].
Tabla 5. Parámetros de los modelos de germinación microbiana
Modelo Umax Km Kp K1 P
Monod 0.66 2.65 - - -
Haldane 0.34 0.03 - -0.03 -
Hinshelwood 0.82 2.65 0.92 - 0.21
Fuente: los autores
Modelo R2 R2 Ajustado RMSE SSE
Monod 0.97 0.83 0.06 0.02
Haldane 0.90 0.88 0.05 0.01
Hinshelwood 0.97 0.72 0.08 0.02
35
La ventaja principal del modelo de Monod corresponde a la capacidad de este
modelo para ajustar satisfactoriamente las formas curvas de germinación del hongo
y poder decir que existe afinidad del hongo hacia la llanta y a medida que crece
este, poder observar mayor consumo de sustrato, confirmando así mediante la
constante de saturación la cual es inferior a las concentraciones de sustrato [58].
Por otro lado, Haldane explica que a altas concentraciones de sustrato o producto
y en presencia de sustancias inhibidoras en el medio, el crecimiento de inhibición y
la tasa de crecimiento dependen de la concentración de inhibidor. Tomando 𝑘𝑙 ≫ 𝑘𝑠
[59]. Mostró que a concentraciones de 15(mg/L) hubo un declive y no se puede
pasar dicha concentración porque se inhibe el crecimiento del hongo.
36
5. CONCLUSIONES
En esta investigación se realizó una evaluación cualitativa de los cambios en las
propiedades mecánicas, estructurales y químicas de las llantas usadas evaluando
el potencial tolerante y de biodegradación del hongo de la podredumbre blanca
mediante la comparación de los distintos análisis que se realizaron a las muestras.
De acuerdo a la experimentación, se obtuvo una máxima producción de biomasa de
619 mg a partir de 15±0.07 mg/L de polvo de llanta usada mientras que la menor
cantidad de biomasa seca de 365 mg se obtuvo para la concentración de 2.5±0.07
mg/L. No obstante, altas concentraciones de polvo de llanta en el medio de cultivo
estimularon significativamente (P˂0.05) la producción de biomasa.
La acción enzimática del hongo pudo romper los enlaces moleculares causando
erosión y por ende debilitamiento de la tensión del material. Esto se comprueba
mediante los análisis SEM, FTRI y tensión, en los cuales se puede observar
microscópica como macroscópicamente los efectos que causa el hongo sobre las
muestras. Además, haciendo las muestras inoculadas por este hongo pierdan
rigidez y elasticidad posterior al proceso biodegradativo.
Por último, El modelamiento permitió concluir que existe afinidad del hongo hacia la
llanta y a medida que crece el hongo va a haber mayor consumo de sustrato, esto
se puede confirmar observando que la constante de saturación es inferior a las
concentraciones de sustrato. Se demostró que las curvas de germinación exhibieron
formas simétricas y sinodales las cuales fueron predichas con precisión confirmada
en un R2 > 94%.
37
6. RECOMENDACIONES
Para futuros estudios seria indicado la utilización diversos hongos, con el objeto de
comparar el potencial biodegradativo y la aceleración para romper los enlaces de la
estructura de las llantas usadas
Para la optimización del proceso biodegradativo se recomienda desarrollar
modelamientos matemáticos y simulación con miras a minimizar el tiempo de
biodegradación y maximizar el proceso biodegradativo
Además, se puede desarrollar un proceso de biodegradación en estado continuo.
Igualmente, se recomienda indagar sobre posibles aditivos que le ayuden al hongo
a tener una mayor eficiencia en la degradación y disminuir el tiempo para completar
el proceso, de esta manera hacer un proyecto a gran escala y así ayudar a una
contribución notoria al planeta.
Finalmente, concientizar a población en general que es de suma importancia
promover la conservación de medio ambiente, implementando proyectos de
biorremediación con el fin de tener un planeta sano con menos contaminación.
38
BIBLIOGRAFIA
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ANEXOS
Anexo 1.1 Analisis Estadistico por MiniTab
Analysis of Variance
Source DF Adj SS AdjMS F-Value P-Value
Factor 6 0,47630 0,079384 28,93 0,000
Error 14 0,03841 0,002744
Total 20 0,51472
Model Summary
S R-sq R-sq (adj) R-sq (pred)
0,0523818 92,54% 89,34% 83,21%
Means
Factor N Mean StDev 95% CI
0 3 0,1110 0,0439 ( 0,0461. 0,1759)
2,5 3 0,3687 0,0889 ( 0,3038. 0,4335)
5 3 0,4027 0,0286 ( 0,3378. 0,4675)
7,5 3 0,4407 0,0456 ( 0,3758. 0,5055)
10 3 0,4903 0,0463 ( 0,4255. 0,5552)
12,5 3 0,54533 0,00586 (0,48047. 0,61020)
15 3 0,6187 0,0655 ( 0,5538. 0,6835)
Pooled StDev = 0,0523818
Fisher Pairwise Comparisons
Grouping Information Using the Fisher LSD Method and 95% Confidence
48
Factor N Mean Grouping
15 3 0,6187 A
12,5 3 0,54533 A B
10 3 0,4903 B C
7,5 3 0,4407 C D
5 3 0,4027 C D
2,5 3 0,3687 D
0 3 0,1110 E
Means that do not share a letter are significantly different.
Fisher Individual Tests for Differences of Means
Difference Difference SE of Adjusted
Of Levels of Means Difference 95% CI T-Value P-Value
2,5 - 0 0,2577 0,0428 ( 0,1659. 0,3494) 6,02 0,000
5 - 0 0,2917 0,0428 ( 0,1999. 0,3834) 6,82 0,000
7,5 - 0 0,3297 0,0428 ( 0,2379. 0,4214) 7,71 0,000
10 - 0 0,3793 0,0428 ( 0,2876. 0,4711) 8,87 0,000
12,5 - 0 0,4343 0,0428 ( 0,3426. 0,5261) 10,16 0,000
15 - 0 0,5077 0,0428 ( 0,4159. 0,5994) 11,87 0,000
5 - 2,5 0,0340 0,0428 (-0,0577. 0,1257) 0,79 0,440
7,5 - 2,5 0,0720 0,0428 (-0,0197. 0,1637) 1,68 0,114
10 - 2,5 0,1217 0,0428 ( 0,0299. 0,2134) 2,84 0,013
12,5 - 2,5 0,1767 0,0428 ( 0,0849. 0,2684) 4,13 0,001
15 - 2,5 0,2500 0,0428 ( 0,1583. 0,3417) 5,85 0,000
7,5 - 5 0,0380 0,0428 (-0,0537. 0,1297) 0,89 0,389
10 - 5 0,0877 0,0428 (-0,0041. 0,1794) 2,05 0,060
12,5 - 5 0,1427 0,0428 ( 0,0509. 0,2344) 3,34 0,005
15 - 5 0,2160 0,0428 ( 0,1243. 0,3077) 5,05 0,000
10 - 7,5 0,0497 0,0428 (-0,0421. 0,1414) 1,16 0,265
12,5 - 7,5 0,1047 0,0428 ( 0,0129. 0,1964) 2,45 0,028
15 - 7,5 0,1780 0,0428 ( 0,0863. 0,2697) 4,16 0,001
12,5 - 10 0,0550 0,0428 (-0,0367. 0,1467) 1,29 0,219
15 - 10 0,1283 0,0428 ( 0,0366. 0,2201) 3,00 0,010
15 - 12,5 0,0733 0,0428 (-0,0184. 0,1651) 1,71 0,108