Producció de biopolímers amb cultius bacterians mixtes. Comparació de tres reactors discontinus seqüencials (SBR) amb diferents condicions operacionals

La producció de biopolímers (polihidroxialcanoats (PHA) i substàncies polimèriques extracel·lulars (EPS)) a nivell industrial, resulta una nova àrea d’investigació que recull diverses disciplines, entre elles les Ciències Ambientals. Aquest projecte final de carrera amb el títol: “Producció de biopolímers amb cultius bacterians mixtes”, s’ha desenvolupat sota la supervisió de la directora de projecte Dra. María Eugenia Suárez Ojeda del Departament d’Enginyeria Química de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i s’ha dut a terme per l’estudiant Jordi Pérez i Forner de la Llicenciatura de Ciències Ambientals, Facultat de Ciències de la UAB, en el Departament d’Enginyeria Química de la mateixa universitat. L’objectiu d’aquest projecte ha estat produir biopolímers simultàniament amb l’eliminació de fòsfor i matèria orgànica en aigües residuals per obtenir un residu final amb un alt valor afegit. Aquests biopolímers reuneixen les característiques necessàries per a poder competir amb els plàstics convencionals i així, reduir l’elevat consum del petroli i la generació de residus no biodegradables. En aquest projecte s’ha dut a terme la posta en marxa d’un reactor discontinu seqüencial (SBR) per a l’acumulació de biopolímers amb cultius bacterians mixtes. Diferents investigadors han estudiat que aquests tipus de cultius bacterians arriben a nivells de fins el 53-97% [Pijuan et al., 2009] de contingut de biopolímers a la biomassa, sometent als microorganismes a diferents situacions d’estrés ja sigui per dèficit de nutrients o per variacions en les fases de feast-famine (festí-fam). Durant el projecte, s’ha realitzat el monitoratge del reactor alimentat amb una aigua sintètica, elaborada en el laboratori, amb les característiques d’un aigua residual provinent de la industria làctica. S’ha sotmès als microorganismes a diferents condicions operacionals, una d’elles amb limitació de fòsfor com a nutrient i una tercera condició amb una variació a les fases feast-famine. D’altra banda, com a segon objectiu, s’ha analitzat el contingut de biopolímers a la biomassa de dos SBRs més, del grup de recerca Bio-GLS del Departament d’Enginyeria Química de la UAB, alimentats amb diferents fonts de carboni, glicerol i àcids grassos de cadena llarga (AGCLL), per observar les influències que té el tipus de substrat en l’acumulació de biopolímers. Els resultats obtinguts en la primera part d’aquest projecte han estat similars als resultats d’altres investigadors [Pijuan et al., 2009; Guerrero et al., 2012]. S’ha determinat que sotmetre als microorganismes a situacions d’estrés té un efecte directe pel que fa a l’acumulació de biopolímers. També s’ha observat com al mateix temps que acumulaven aquests compostos, els microorganismes desenvolupaven la seva tasca de depurar l’aigua residual, obtenint al final del cicle una aigua amb un baix contingut en matèria orgànica i altres contaminants com amoni i fòsfor, en aquest cas. En la segona part del projecte, s’ha observat com el tipus de substrat té un efecte directe pel que fa a l’acumulació de biopolímers i també a l’activitat metabòlica dels microorganismes. Per tant, s’ha conclòs que la producció de biopolímers mitjançant la depuració d’aigües residuals es una via d’investigació molt prometedora pel que fa als resultats obtinguts. Alhora que es tracta un residu, s’obté una producte residual amb un alt valor afegit que pot ser utilitzat per la producció de bioplàstics 100% biodegradables.

Sequentially aerated membrane biofilm reactors for autotrophic nitrogen removal: microbial community composition and dynamics

Membrane-aerated biofilm reactors performing autotrophic nitrogen removal can be successfully applied to treat concentrated nitrogen streams. However, their process performance is seriously hampered by the growth of nitrite oxidizing bacteria (NOB). In this work we document how sequential aeration can bring the rapid and long-term suppression of NOB and the onset of the activity of anaerobic ammonium oxidizing bacteria (AnAOB). Real-time quantitative polymerase chain reaction analyses confirmed that such shift in performance was mirrored by a change in population densities, with a very drastic reduction of the NOB Nitrospira and Nitrobacter and a 10-fold increase in AnAOB numbers. The study of biofilm sections with relevant 16S rRNA fluorescent probes revealed strongly stratified biofilm structures fostering aerobic ammonium oxidizing bacteria (AOB) in biofilm areas close to the membrane surface (rich in oxygen) and AnAOB in regions neighbouring the liquid phase. Both communities were separated by a transition region potentially populated by denitrifying heterotrophic bacteria. AOB and AnAOB bacterial groups were more abundant and diverse than NOB, and dominated by the r-strategists Nitrosomonas europaea and Ca. Brocadia anammoxidans, respectively. Taken together, the present work presents tools to better engineer, monitor and control the microbial communities that support robust, sustainable and efficient nitrogen removal

Equivalent roughness of gravel-bed rivers

The relation between the equivalent roughness and different grain size percentiles of the sediment in gravel-bed rivers was determined under the hypothesis that the vertical distribution of the flow velocity follows a logarithmic law. A set of 954 data points was selected from rivers with gravel size sediment or larger, with a non-sinuous alignment and free of vegetation or obstacles. According to the results, the ks roughness is equivalent to approximately 2.4D90, 2.8D84, and 6.1D50. No correlation was detected between the sediment sorting and the sediment mobility index on one hand, and, on the other, the coefficient of proportionality of each grain size percentile.

Using computational fluid dynamics to predict head losses in the auxiliary elements of a microirrigation sand filter

It is often assumed that total head losses in a sand filter are solely due to the filtration media and that there are analytical solutions, such as the Ergun equation, to compute them. However, total head losses are also due to auxiliary elements (inlet and outlet pipes and filter nozzles), which produce undesirable head losses because they increase energy requirements without contributing to the filtration process. In this study, ANSYS Fluent version 6.3, a commercial computational fluid dynamics (CFD) software program, was used to compute head losses in different parts of a sand filter. Six different numerical filter models of varying complexities were used to understand the hydraulic behavior of the several filter elements and their importance in total head losses. The simulation results show that 84.6% of these were caused by the sand bed and 15.4% were due to auxiliary elements (4.4% in the outlet and inlet pipes, and 11.0% in the perforated plate and nozzles). Simulation results with different models show the important role of the nozzles in the hydraulic behavior of the sand filter. The relationship between the passing area through the nozzles and the passing area through the perforated plate is an important design parameter for the reduction of total head losses. A reduced relationship caused by nozzle clogging would disproportionately increase the total head losses in the sand filter