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13/04/2016

Poblaciones microbianas y mecanismos de reacción en el proceso biológico de desulfuración de biogás

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La desulfuración biológica de biogás es un proceso que se ha estudiado ampliamente a nivel de reactores pero se sabe que el estudio de las bacterias que realizan este proceso es muy importante ya que son las encargadas de que la desulfuración tenga lugar y determinan en gran parte la eficacia del proceso global. En el artículo se explica todo lo que hemos estudiado de estas bacterias y la importancia que tiene conocer sus mecanismos de degradación del sulfuro de hidrógeno para relacionarlos con las condiciones de operación de los reactores.
Imagen microscópica de Thiotrix sp., la bacteria filamentosa que se desarrolla en las condiciones de operación de nuestro BTF desulfurador de biogás.

Los biofiltros percoladores (BTF) son el tipo de reactor más empleado para la desulfuración de biogás. Estos reactores contienen en su interior un material inerte sobre el que crecen las bacterias encargadas de eliminar el sulfuro de hidrógeno (H2S) contenido en el biogás. El H2S es un componente muy corrosivo que daña los equipos empleados para recuperar la energía del biogás y que por tanto debe ser eliminado. Este proceso, conocido como proceso de desulfuración biológica del biogás, ha sido objeto de estudio durante varios años en el grupo de investigación de Tratamiento Biológico de Efluentes Líquidos y Gaseosos - Eliminación de Nutrientes, Olores y compuestos orgánicos volátiles - (GENOCOV) de la UAB. Es un proceso complejo que implica un amplio conocimiento del ciclo del azufre. Conocemos los rangos de aplicación y las limitaciones de los BTFs para la desulfuración de biogás pero todavía hay margen en nuestra búsqueda para mejorar estos sistemas, aumentar su eficacia y su rango de aplicación. Para alcanzar este objetivo es esencial saber qué pasa a nivel microscópico. La clave por tanto está en conocer bien las bacterias sulfurooxidantes.
 
Existe una infinidad de microorganismos sulfurooxidantes, es decir, capaces de transformar el H2S en una sustancia más oxidada e inocua como el azufre elemental o el producto final de reacción, el sulfato. Hemos visto que en función de las condiciones de operación del BTF se desarrollan unas poblaciones microbianas diferentes que oxidan el H2S a una velocidad y con unos mecanismos de reacción diferentes. El artículo publicado en la revista Water Research se enfoca concretamente a estudiar las bacterias desarrolladas en el BTF que tenemos en marcha a escala laboratorio en la Escuela de Ingeniería de la UAB. Este BTF está tratando altas cargas de H2S con éxito. ¿Y por qué tenemos buenos resultados? La responsable del éxito es la especie bacteriana Thiotrix sp. Esta especie tiene forma de filamento, lo que hace que tenga una superficie muy alta para degradar el H2S, pero aparte de eso tiene la capacidad de almacenar azufre elemental (producto intermedio de reacción) dentro de la célula en forma de gránulo, una potente reserva energética que utilizará en momentos de deficiencia de H2S, su alimento. También tiene mecanismos paralelos de formación de sulfito y tiosulfato (otros intermedios de reacción) que posteriormente oxida a sulfato. Estas características tan versátiles causan que crezca prácticamente como cultivo puro ya que pocos candidatos pueden competir con ella.
 
¿Y cómo conseguimos saber tanto sobre quién y cómo? Pues combinando técnicas de biología molecular como la pirosecuenciación, con técnicas respirométricas y modelos matemáticos que explicamos muy en detalle en el artículo. La pirosecuenciación, una técnica muy potente de identificación de cultivos, nos ayuda a saber que en nuestro reactor tenemos un 95% de Thiotrix sp. Las técnicas respirométricas sirven para saber en qué orden y cómo de rápido tiene lugar el proceso de oxidación de H2S. Esta técnica consiste en poner una muestra de cultivo (obtenido del BTF) en suspensión y con agitación continua. Añadiendo diferentes compuestos de azufre en el tiempo y analizando los compuestos presentes en la fase líquida podemos saber qué está pasando y proponer los mecanismos de reacción. Finalmente, los perfiles que obtenemos de los ensayos respirométricos los intentamos describir con ecuaciones matemáticas para que todo el que quiera trabajar con Thiotrix sp. sepa que con aquellas ecuaciones se define: qué hacen, en qué orden y cómo de rápido. Con toda esta información concluimos que este conocimiento microscópico es esencial para poder mejorar nuestros sistemas o explicar por qué unos funcionan mucho mejor que otros y a partir de ahí buscar relaciones entre condiciones de operación y especies desarrolladas.
 

Maria Isabel Mora Garrido
Grupo de Investigación GENOCOV
Departamento de Ingeniería Química, Biológica y Ambiental

Referencias

Mora, M.; López, L.R.; Lafuente, J.; Pérez, J.; Kleerebezem, R.; van Loosdrecht, M.C.; Gamisans, S.; Gabriel, D. Respirometric characterization of aerobic sulfide, thiosulfate and elemental sulfur oxidation by S-oxidizing biomass. Water Research. 2016, vol. 89, p. 282-292. doi: 10.1016/j.watres.2015.11.061.

 
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