UNIVERSIDAD NACIONAL DE
MOQUEGUA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL
TEMA:
“MAQUETA DE UN BIORREACTOR DE FIBRA HUECA O QUE UTILIZAN
TECNOLOGÍA MBR (MEMBRANE BIO-REACTORS)”
DOCENTE:
BLGO. HEBERT HERNAN SOTO GONZALES
CURSO:
BIOTECNOLOGÍA
ESTUDIANTE:
LIDIA MARLENI COAQUERA ZANGA
CODIGO:
2018205015
CICLO:
VII
CORREO:
[email protected]
FECHA DE ENTREGA:
18/06/2021
CONTENIDO
RESUMEN............................................................................................................................................. 3
1
INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 4
2
OBJETIVO ..................................................................................................................................... 5
3
2.1
Objetivo general: .................................................................................................................. 5
2.2
Objetivos específicos: .......................................................................................................... 5
MARCO TEÓRICO ...................................................................................................................... 6
3.1
Biorreactores:........................................................................................................................ 6
3.2
Biorreactores de fibra hueca (HFBs):................................................................................ 6
3.3
Sistema MBR: ....................................................................................................................... 6
3.4
Membranas: .......................................................................................................................... 7
3.5
Módulo capilar o de fibra hueca: ........................................................................................ 7
3.6
Biorreactor de membrana MBR: ........................................................................................ 8
3.7
Las ventajas del proceso MBR: ......................................................................................... 9
3.8
Aplicaciones de MBR: ....................................................................................................... 10
3.8.1
Usos urbanos: ............................................................................................................. 10
3.8.2
Usos agrícolas: ........................................................................................................... 10
3.8.3
Usos industriales: ....................................................................................................... 10
3.8.4
Usos recreativos: ........................................................................................................ 10
3.8.5
Usos ambientales: ...................................................................................................... 10
3.9
4
5
Inconvenientes:................................................................................................................... 10
MATERIALES Y METODOS .................................................................................................... 12
4.1
Materiales: ........................................................................................................................... 12
4.2
Procedimiento: .................................................................................................................... 12
RESULTADOS ........................................................................................................................... 14
5.1
Aplicación (problemática):................................................................................................. 15
6
CONCLUSIONES....................................................................................................................... 17
7
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................... 18
RESUMEN
Los biorreactores de membrana, conocidos por sus siglas en ingles MBR (Membrane
Bioreactor) combinan un tratamiento biológico y separación directa solido-liquido por medio
de filtración por membranas. La retención completa de la biomasa se logra utilizando
tecnología de filtración de microfiltración (MF) o ultrafiltración (UF). Aunque por lo general
estos sistemas son aerobios, los procesos anaerobios se han logrado implantar con buenos
resultados en algunas aplicaciones comerciales (Dereli y col., 2012).
Los biorreactores de membrana también se pueden definir como la combinación de
dos procesos básicos –degradación biológica y separación por membrana- en un proceso
único en el que los sólidos en suspensión y microorganismos responsables de biodegradación
son separados del agua tratada, mediante una unidad de filtración por membrana.
En el presente trabajo se realizó la construcción de una maqueta de un Biorreactor de
Membrana o Sistema MBR. En el cual se evaluó los pasos, y los distintos, usos, en este caso
es aplicado para el tratamiento de aguas residuales, tratamiento de complejos efluentes
industriales que requieren un sistema que permita operar a edades del fango elevado, áreas
donde existen limitaciones espaciales, plantas convencionales. Pero una de sus mayores
ventajas del uso de esta tecnología es en el campo de la reutilización. Gracias al tamaño de
poro de las membranas se consiguen importantes reducciones de contaminación. Además
de la retención de bacterias, virus y mayor parte de contaminantes orgánicos e inorgánicos
que frecuentemente son encontrados en los efluentes de los tratamientos biológicos
convencionales. El efluente de MBR puede ser adecuado para la reutilización directa o como
agua de suministro para un proceso de osmosis inversa.
1
INTRODUCCIÓN
Un biorreactor es considerado el centro de todo un proceso biotecnológico. Los
equipos MBR emplean membranas de micro o ultrafiltración de baja presión, eliminando, por
tanto, la necesidad de una etapa de clarificación y tratamiento terciario adicional. Los MBR
producen un agua de muy alta calidad apta para su reutilización directa o como una fuente
de agua de muy alta calidad para equipos de filtración por osmosis inversa. (Bioazul, 2003).
Las técnicas biológicas de tratamiento de aguas se vienen usando desde hace ya
más de 100 años. De todos los procesos que se han desarrollado para el tratamiento de las
aguas residuales el sistema convencional de fangos activados ha sido el más extendido. En
cambio, las tecnologías de MBR, en un inicio se vio limitado su uso y solamente se empleaba
en el tratamiento de afino o para la desalación de agua de mar. El uso de membranas en el
tratamiento de las aguas residuales es más reciente y se han empleado en aquellas
situaciones donde había requerimientos de vertido rigurosos o donde se pretendía reutilizar
el agua depurada. (Vasquez R, 2015).
Los usos actuales incluyen el tratamiento y reutilización de agua en comunidades y
edificios, el tratamiento de aguas residuales municipales y el tratamiento de efluentes en
determinadas industrias. Además, hay áreas de aplicación muy prometedoras que están
todavía en fase de desarrollo y que requieren una mayor evaluación experimental.
En el presente trabajo se realizará una maqueta esta es una reproducción física "a
escala", en tres dimensiones, por lo general, en tamaño reducido, de algo real o ficticio.
También pueden existir modelos de tamaño grande de algún objeto pequeño y hasta
microscópico representados en alguna especie de maqueta. En este caso se realizará la
elaboración de maqueta de Biorreactor de Membrana MBR.
2
2.1
OBJETIVO
Objetivo general:
o
Elaboración de la maqueta de fibra hueca o membrana, usando materiales
reciclables de esta manera contribuimos a su mejora.
2.2
Objetivos específicos:
o
Designar los materiales para la elaboración de la respectiva maqueta.
o
Explicar la metodología de aplicación de la Biorreactor de Membrana MBR.
o
Demostrar como aprendizaje didáctico la elaboración de maqueta.
o
Detallar las ventajas y desventajas del uso del Biorreactor de Membrana MBR.
o
Describir los lugares donde puede ser aplicado.
3
3.1
MARCO TEÓRICO
Biorreactores:
Los Biorreactores son los equipos donde se realiza el proceso de cultivo (también
comúnmente denominado “fermentador”), sea en estado sólido o líquido. Su diseño debe ser
tal que asegure homogeneidad entre los componentes del sistema y condiciones óptimas
para el crecimiento microbiano y la obtención del producto deseado. Es importante tomar en
cuenta los problemas de transferencia de calor y oxígeno sobre la cama de sustrato, los
cuales dependen de las características de la matriz que se esté utilizando para la
fermentación, siendo éste, uno los principales factores que afectan el diseño y las estrategias
de control. (Ruíz-Leza, Rodríguez-Jasso, Rodríguez-Herrera, Contreras-Esquivel, & Aguilar,
2007).
El biorreactor es el centro de todo proceso biotecnológico. El diseño y análisis del
comportamiento de un biorreactor dependen del conocimiento de la cinética de las reacciones
biológicas y de los balances de materia y energía. En la práctica, esta metodología se hace
muy compleja debido a la naturaleza de la catálisis biológica y del caldo de fermentación, los
cuales puede tener propiedades que varían con el tiempo y presentar patrones cinéticos y de
flujo muy complejos. Además, los procesos de la transferencia de masa y calor añaden
complejidad al problema. (Biorreactores, s.f.).
3.2
Biorreactores de fibra hueca (HFBs):
Son un sistema de cultivo 3D que constan de fibras fijas en un módulo con las células
sembradas típicamente en el exterior de las fibras porosas y medios entregados a través del
lumen de fibra.
3.3
Sistema MBR:
Un MBR se compone de dos partes integradas en una sola: por un lado, el reactor
biológico responsable de la depuración biológica y, por otro, la separación física de la biomasa
y el agua mediante un sistema de filtración directa hecha con membranas. La ventaja de los
sistemas MBR se deriva de las elevadas concentraciones de biomasa con las que se trabaja
en el reactor biológico gracias a la presencia de una barrera física (membrana) que no deja
pasar las bacterias. El reactor es operado de manera similar a un proceso convencional de
lodos activados, pero sin que sea necesaria una etapa secundaria, como la clarificación, o
una terciaria, como la filtración con arena. Una vez seleccionada la tecnología MBR como la
indicada para un proyecto concreto, es momento de analizar la configuración más adecuada
según un criterio técnico y económico. (Velasco Perez & Solar Gonzales, 2011).
Figura 1 Esquema de un biorreactor de membrana integrada
(sumergida).:
Fuente: (Velasco Perez & Solar Gonzales, 2011)
3.4
Membranas:
Las membranas son barreras físicas semipermeables que se disponen entre dos fases
separándolas e impidiendo su contacto, pero que permiten el movimiento de las moléculas a
través de ellas de forma selectiva. Son semipermeables ya que permiten el paso de algunos
componentes presentes en la corriente de entrada (alimento) y dificulta o impide el paso de
otros a la corriente de salida (permeado). Como consecuencia de esta operación se obtiene
una corriente de permeado con baja concentración o libre de ciertos componentes y una
corriente de rechazo donde esos componentes se encuentran concentrados. (Vasquez R,
2015).
3.5
Módulo capilar o de fibra hueca:
Los módulos capilares son similares a los tubulares pero el diámetro de las
membranas capilares es mucho más pequeño, concretamente de 0,5 a 5 mm. Debido al
menor diámetro, las probabilidades de obstrucción con una membrana capilar son mucho
mayores. Una ventaja es que la densidad de empaquetamiento es mucho mayor. Cuando las
membranas tienen un diámetro del orden o inferior a 0,1 μm se denominan de fibra hueca.
En este caso las membranas pueden ser de estructura simétrica, por lo que el flujo de
permeado puede ser hacia fuera o hacia dentro. Las aplicaciones son ultrafiltración,
nanofiltración y ósmosis inversa. En la Figura 2.10 se muestran diferentes configuraciones de
módulos de fibra hueca. (Vasquez R, 2015)
3.6
Figura
2:Módulo
longitudinal
de
membranas de fibra
Figura
3:Modulos de
haces de fibra hueca
montados sobre bastidor
Fuente: (Vasquez R, 2015)
Fuente (Vasquez R, 2015):
Biorreactor de membrana MBR:
Las instalaciones de tratamiento de aguas residuales que utilizan el tratamiento
convencional de lodos activados se enfrentan a una serie de problemas. En concreto, la
eliminación de microorganismos. En realidad, las plantas de tratamiento de aguas residuales
actuales no están diseñadas para eliminar estos pequeños contaminantes. Debido a su
naturaleza persistente no podrían eliminarse adecuadamente durante un proceso de
tratamiento convencional y esos microcontaminantes se detectan en matrices de agua
natural. Por lo tanto, la principal preocupación para la aplicación de agua regenerada es la
eliminación impredecible y generalmente escasa de los microcontaminantes. Por ejemplo, la
eliminación biológica de ibuprofeno en las EDAR suele ser superior al 75%, la eliminación
media informada de estrona es del 83% y la eliminación del 17α-etinilestradiol es incluso
superior al 44%. (Nuevo, 2021).
Figura 4: Estructura de membranas MBR
Fuente: (Nuevo, 2021).
3.7
Las ventajas del proceso MBR:
o
Calidad del agua tratada

Retención de toda la materia particulada (SS efluente = 0 mg/l).

Desinfección del agua tratada

Retención de parte del sustrato coloidal por parte de la membrana, lo que
permite mayor tiempo de contacto e hidrólisis.

Elevadas edades del fango → desarrollo de especies de crecimiento lento
(nitrificantes).
o
Compactación

MLSS: 15-40 g/l (sistemas muy robustos)

Tasas de depuración 3-5 veces mayor que sistemas convencionales
(volúmenes requeridos 3-5 veces menores).

Relación Área / Volumen. de flóculo alta → Transferencia de oxígeno y
nutrientes
o

Retención de toda la biomasa

Retención de exoenzimas celulares
Producción de fangos

Menor producción a SRTs similares a sistemas convencionales.

Además, posibilidad de trabajar a SRTs muy elevados: condiciones
endógenas de baja producción de fangos: Ausencia de bulking filamentoso,
Modularidad y Rapidez en la puesta en marcha
3.8
Aplicaciones de MBR:
Tratamiento aguas urbanas e industriales. El efluente obtenido en un equipo MBR es
apto para su reutilización en cualquiera de los usos previstos en el Real Decreto 1620/2007
de reutilización de aguas depuradas
3.8.1
Usos urbanos:
Riego de jardines y descarga de sanitarios o riegos zonas comunes,
baldeo de calles, limpieza de vehículos, etc.
3.8.2
Usos agrícolas:
Riego de cultivos, riego de productos para consumo humano, riego de
pastos, etc.
3.8.3
Usos industriales:
Aguas de limpieza y de proceso en industria, torres de refrigeración y
condensadores valorativos.
3.8.4
Usos recreativos:
Riego de campos de golf, estanques y masas de agua no accesibles
al público.
3.8.5
Usos ambientales:
Usos recarga de acuíferos, riego de zonas verdes, silvicultura, etc.
3.9
Inconvenientes:
A pesar de que la utilización de MBRs para el tratamiento de aguas residuales ofrece muchas
ventajas comparado con los sistemas tradicionales, existen algunas limitaciones que por el
momento impiden su mayor difusión: (Vasquez R, 2015)
o Ensuciamiento de membranas: El ensuciamiento de membranas es uno de los
mayores problemas que existe en la tecnología MBR y determina que su
comercialización no se extienda actualmente de modo general. Este viene dado por
dos fenómenos: el ensuciamiento dentro del poro y la deposición de una capa de lodo
sobre la superficie de la membrana (Meng, y otros, 2009), la cual se considera el
componente predominante en el ensuciamiento. El ensuciamiento conlleva a una
reducción del flujo de permeado o al incremento de la PTM. Esto implica la necesidad
de realizar ciclos de limpieza, los cuales se realizan de forma física, mediante la
aireación y la relajación/retrolavado de las membranas, y química, mediante el uso de
reactivos en dependencia de la naturaleza orgánica o inorgánica de las
incrustaciones.
o
Coste de instalación y sustitución de membranas: Las unidades de membranas
tienen un coste elevado y una vida útil que actualmente está limitada entre 5 y 8 años,
por lo que su instalación y reposición constituye un gasto a tener en cuenta.
o
Consumo energético: El alto consumo energético es otro de los inconvenientes
esenciales de esta tecnología. El coste del consumo de energía por metro cúbico de
agua depurada en los MBR puede oscilar entre 0,6 y 1,5 kWh/m3, mientras que para
un sistema de lodos activados convencional está entre 0,38 y 0,48 kWh/m3.
o
Acumulación de sustancias tóxicas en el biorreactor: La acumulación en el
biorreactor de compuestos inorgánicos no filtrables como metales pesados, que a
determinadas concentraciones pueden ser dañinos para la población bacteriana o
afectar a la integridad de la membrana, puede afectar al correcto funcionamiento del
sistema.
4
4.1
4.2
MATERIALES Y METODOS
Materiales:
o
Sorbetes
o
Caja de madera (reciclada de las frutas)
o
Silicona liquida
o
Silicona en barra
o
Pistola de silicona
o
Lana (reciclada)
o
Manguera transparente
o
Tijeras
o
Cartulina negra
o
Tempera
o
Cúter
o
Clavos
o
Regla
Procedimiento:
Paso 1
Cortamos y medimos las
maderitas de ancho 36 cm y 41
cm de largo, y usamos los clavos
como
soporte
para
las
membranas.
Paso 2
Medimos el cartón en el cual
damos de 36 de largo y 3 cm de
ancho, para que sirva de soporte
de las membranas.
Paso 3
Proseguimos a cortar la lana en
a 36 cm de largo que serán las
membranas,
para
aproximadamente
para
9
membranas, de las cuales las
lanas son de diferentes colores
por ser reciclados.
Paso 4
Paso 5
Después de ello unimos la lana
cortada con los pedazos de
cartón unidos, lo cual da a formar
las membranas.
Luego de ello pones todas las
membranas en la caja.
Paso 6
Una vez puestas esta se
procede a poner los tubos por el
cual saldrá el agua tratada en
este caso.
Paso 7
Luego de ello ponemos como
parte final los tubos que
generaran aeración para que el
agua sea tratada.
Paso 8
Finalmente
obtenemos
el
biorreactor de membrana, todo
ello con material reciclado.
5
RESULTADOS
Se logró realizar la maqueta con éxito donde además se buscó representar
completamente la estructura de las Biorreactor de Membrana MBR, Su funcionamiento se
basa en que el agua del reactor biológico es filtrada pasando a través de las paredes de una
membrana. El agua filtrada es extraída del sistema mientras el fango y los compuestos de
tamaño superior al poro de la membrana quedan retenidos y permanecen o retornan al reactor
biológico.
Figura 5:Maqueta termina de una Reactor de
Membrana MBR
Fuente: propia.
Figura 6: Biorreactor de Membrana MBR
Fuente: https://www.tecpa.es/bioreactormembrana-mbr/
Considerando estudios en el exterior el sistema de MBR es una tecnología que
promete ofrecer muchas ventajas en comparación con los variados tipos de proceso para el
tratamiento de aguas residuales. Destacando una mejor y constante eliminación de
microcontaminantes.
5.1
Aplicación (problemática):
Problemática de la PTAR Chía (Colombia)
Esta PTAR se encuentra localizada en el municipio de chía (Cundinamarca) la cual
realiza el tratamiento de agua residual de aproximadamente 133000 habitantes, actualmente
se encuentra ubicada entre los centros comerciales sabana norte, plaza mayor y centro chía
como se puede observar en la imagen 38 la cual es la ubicación satelital, en este caso se
está presentado un problema particular como es la afectación a la población en especial al
comercio en estos centros comerciales, dicho problema es la generación de olores debido al
tratamiento del agua residual en la PTAR con el sistema de lagunas facultativas. Otro
problema es que actualmente el número de usuarios está sobrepasando la capacidad de
tratamiento de la PTAR.
Figura 7:Ubicacion Satelital localización de PTAR Chía.
Fuente: (Borhorquez Rincon & Sarmiento Higuera, 2017)
Implementación del sistema de MBR en la PTAR Chía:
Para la mejora de la problemática se ha planteado la utilización de un sistema de
biorreactor de membrana que se encuentre en el mercado, Para su posible implementación
se plantea ubicarla donde se encuentra la laguna 1 (Facultativa). Ya que esta laguna presenta
una serie de problemas como son:
o
El tiempo de transito es de 4 días.
o
No presenta un sistema de aireación, produciendo la generación de malos
olores.
o
El espacio utilizado es demasiado grande.
Las ventajas que podría ofrecer la implementación del sistema de MBR en la PTAR de Chía
son:
o
Aumentar la cantidad del agua a tratar
o
Disminuir la generación de olores.
o
El espacio requerido para la implementación del MBR será menor.
o
La calidad del efluente obtenido será de mejor calidad.
El destino final del efluente puede ser planificada para una posible reutilización del
agua en diversos usos:
Urbano: Alrededor de la PTAR se encuentra diferentes construcciones y
centros comerciales donde se puede dar diferentes usos como (recargas de aparatos
sanitarios, jardinería, incendios, lavado de calles y automóviles).
Industrial: Estas pueden ser utilizadas para realizar la limpieza de las
instalaciones o refrigeración de procesos industriales. Agrícola: Pueden ser utilizadas
para riego de cultivos alimenticios y de flora.
El destino final del efluente no es planificado y consiste en descargar el agua tratada
en un cauce para para posteriormente ser captada aguas abajo, con el fin de ser reutilizada
en recursos potables.
Figura 8: Membrana marca Benenv Modelo BN150
Fuente: (Borhorquez Rincon & Sarmiento Higuera, 2017)
Resultado:
Según los datos del diagnóstico realizado de la PTAR de chía y los datos obtenidos
de la ficha técnica de la membrana se puede concluir que el porcentaje de eficiencia del DBO
es de 98%, la eficiencia de los sólidos suspendidos totales es del 100%, la eficiencia de la
turbidez es del 100% y la eficiencia de los nitritos y nitratos es del 93%. El tiempo de transito
con la implementación del MBR será de 3 días, (2 días de tiempo de tránsito en laguna aireada
2 y 3, y 1 día en el tratamiento con 2 tanques de MBR). (Borhorquez Rincon & Sarmiento
Higuera, 2017).
6
CONCLUSIONES
El biorreactor de Membrana MBR se realizó exitosamente con el uso de materiales
reciclados para de esta manera contribuir en el medio ambiente. En el tratamiento de aguas
complejas con una elevada concentración de DQO, Nitrógeno y fosforo hasta cumplir
requerimientos exigentes de vertido ha sido posible gracias a la combinación de tratamientos
físicos, químicos y biológicos avanzados.
La realización del presente trabajo resalta la importancia de la reutilización de
materiales para la elaboración de maquetas y de esta manera preservar el medio ambiente
además de que esta representa a un biorreactor de membrana MBR de esta manera enfatiza
que es indispensable realizar el tratamiento de aguas residuales industriales y domesticas de
la mejor manera y que el factor económico debe ser un tema relevante.
Además de que es un sistema que no se usa en el Perú su uso es eficaz para el
tratamiento del agua con el sistema MBR, es necesario la utilización de un tratamiento
primario, por motivos de daños, ensuciamiento y de vida útil de la membrana
Además de adquirir el conocimiento del uso y significado de la tecnología del
Biorreactor de Membrana (MBR) que es una combinación de dos procesos; degradación
biológica y separación por membrana, en único en el que los sólidos en suspensión y
microorganismos responsables de la biodegradación son separados del agua tratada
mediante una unidad de filtración por membrana.
7
BIBLIOGRAFÍA
Bioazul. (2003). MBR-Biorreactor de Membrana. Recuperado el 16 de Junio de 2021, de
https://www.bioazul.com/mbr-biorreactor-de-membrana/
Biorreactores.
(s.f.).
Recuperado
el
16
de
Junio
de
2021,
de
http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/1608/Capitulo2.pdf
Borhorquez Rincon, G. C., & Sarmiento Higuera, D. A. (2017). Analisis del Uso de
Biorreactores de Membrana para Tratamiento de Aguas Residuales y Posible
Implementacion en Colombia. Universidad Catolica de Colombia, 1-88. Recuperado
el 17 de Junio de 2021
Nuevo, D. (5 de Marzo de 2021). El bioreactor de membrana MBR. Recuperado el 16 de Junio
de 2021, de https://www.tecpa.es/bioreactor-membrana-mbr/
Ruíz-Leza, H. A., Rodríguez-Jasso, R. M., Rodríguez-Herrera, R., Contreras-Esquivel, J. C.,
& Aguilar, C. N. (2007). Diseño de biorreactores para fermentación en medio sólido.
Revista Mexicana de Ingeniería Química, 33-40. Recuperado el 19 de Mayo de 2021,
de https://www.redalyc.org/pdf/620/62060105.pdf
Vasquez R, E. D. (2015). Estudio de biorreactor de membrana para el tratamiento de aguas
residuales urbanas. Escuela Politecnica Superior. Recuperado el 16 de Junio de 2021,
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https://iuaca.ua.es/es/master-agua/documentos/-gestadm/trabajos-fin-de-
master/tfm09/tfm09-edgardo-vasquez-rodriguez.pdf
Velasco Perez, A., & Solar Gonzales, R. (2011). Biorreactores de membrana: tecnología para
el tratamiento de aguas residuales. La ciencia y el hombre. Recuperado el 16 de Junio
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2021,
https://www.uv.mx/cienciahombre/revistae/vol24num3/articulos/membrana/
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