ES2695429T3 - Proceso para producir un compuesto de almacenamiento microbiano - Google Patents

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Leonie Marang
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Abstract

Proceso para producir polihidroxialcanoato (PHA), que comprende los pasos siguientes: a) suministro de un flujo de aguas residuales que comprende COD facilmente biodegradable (RBCOD) a un primer reactor que contiene el residuo activado que comprende microorganismos capaces de acumular PHA y sometimiento del residuo en el primer reactor a condiciones de reaccion de acumulacion de PHA durante un primer periodo de tiempo de 0.25 a 5 h, las condiciones comprenden la presencia de oxigeno disuelto y la presencia de al menos 10 mg/l de COD facilmente biodegradable en la mezcla, para obtener un residuo activado que comprende PHA a un nivel de al menos 30 % en peso basado en el peso en seco del residuo; b) transferencia de parte del residuo activado que comprende PHA desde el primer reactor a un segundo reactor y mantenimiento de parte del residuo activado que comprende PHA en el primer reactor; c) suministro de un flujo de aguas residuales que comprende RBCOD al primer reactor que contiene parte del residuo activado que comprende PHA y sometimiento del residuo a condiciones acumulacion de PHA durante un segundo periodo de tiempo de 2 a 24 h, las condiciones acumulacion de PHA que comprenden la presencia de oxigeno disuelto y la presencia de al menos 10 mg/l de COD facilmente biodegradable, para obtener el residuo activado que es ademas enriquecido con PHA a un nivel de al menos 60 % en peso basado en el peso en seco del residuo, y aguas residuales tratadas; d) retirada del residuo activado que es ademas enriquecido con PHA desde el primer reactor como un flujo del producto; c) sometimiento del residuo activado que comprende PHA en el segundo reactor en un medio de reaccion liquido a condiciones de reaccion de carestia durante un tercer periodo de tiempo de entre 2 y 24 h, las condiciones de reaccion de carestia comprenden la presencia de oxigeno disuelto, para obtener residuo activado enriquecido con microorganismos capaces de la acumulacion de PHA; y f) transferencia del residuo activado enriquecido en microorganismos capaces de acumular PHA obtenido en el paso e) al primer reactor para formar el residuo activado que comprende microorganismos capaces de acumular PHA en el paso a).

Description

DESCRIPCION
Proceso para producir un compuesto de almacenamiento microbiano
Campo de la invencion
[0001] La invencion se refiere a un procedimiento para producir un compuesto de almacenamiento microbiano, en particular un proceso para producir polihidroxialcanoato (PHA) usando microorganismos que acumulan el compuesto de almacenamiento microbiano.
Antecedentes
[0002] Se sabe que algunos microorganismos que se han descubierto en residuo usado para el tratamiento de aguas residuales aerobicas son capaces de producir compuestos de almacenamiento microbiano, tales como por ejemplo poli(hidroxialcanoato) (PHA), como un compuesto de reserva.
Recientemente hay interes en procesos de tratamiento de aguas residuales donde la acumulacion de polihidroxialcanoato en bacterias acumulacion de PHA se maximiza para la recuperacion de tal polihidroxialcanoato de estas bacterias, por ejemplo para aplicacion en bioplasticos.
[0003] Los procesos para la seleccion de microorganismos capaces de producir PHA u otros compuestos de almacenamiento microbiano se conocen en la tecnica y tipicamente comprenden diferentes ciclos que alternan una denominada fase de abundancia donde el residuo que comprende bacterias de acumulacion de PHA se alimenta con un sustrato que comprende compuestos organicos biodegradables facilmente (denominada demanda quimica de oxigeno facilmente biodegradable o RBCOD) con una denominada fase de carestia donde el sustrato es retenido de la bacteria.
En la fase de abundancia de nutrientes, las bacterias que acumulan PHA convierten RBCOD tales como acidos grasos volatiles en PHA. En la fase de carestia, el PHA acumulado en las bacterias se usa como alimento, dando como resultado la seleccion de aquellas bacterias que son capaces de acumular PHA u otros compuestos de almacenamiento bacteriano.
[0004] Por ejemplo, la WO00/52189 divulga un proceso para la produccion de polihidroxialcanoato donde en un primer paso los microorganismos capaces de acumular PHA se seleccionan sometiendo alternantemente los microorganismos a una fase donde se anade el sustrato (fase de abundancia de nutrientes) y una fase donde sustrato se retiene (fase de carestia).
En una fase de acumulacion, PHA es acumulado sometiendo algunos de los microorganismos seleccionados en la primera fase a un sustrato, preferiblemente un flujo que comprende acido graso.
En el proceso de la WO00/52189, el paso de seleccion con las fases de abundancia de nutrientes y de carestia alternantes, se realiza en un primer reactor y el paso de acumulacion se realiza en un segundo reactor separado.
[0005] La WO2011/073744 tambien divulga un proceso para la seleccion de microorganismos (biomasa) capaces de producir PHA sometiendo alternantemente biomasa a condiciones de abundancia y de carestia.
En el proceso de la WO2011/073744, las condiciones de abundancia y carestia se pueden aplicar consecutivamente en el mismo reactor o en reactores separados.
El residuo (biomasa) retirado del proceso de seleccion se puede someter a acumulacion adicional en un paso separado o para extraccion de PHA.
[0006] La WO2012/023114 divulga un proceso similar como la WO2011073744 para aumentar el potencial de acumulacion de PHA de biomasa usado en el tratamiento de aguas residuales sometiendo la biomasa a ciclos repetidos de condiciones de abundancia-carestia en un sistema de reactor discontinuo secuencial (SBR), usando indices de alimentacion de demanda quimica de oxigeno facilmente biodegradable especifico (RBCOD) en condiciones de abundancia.
La WO2014/108864, publicada 17.07.2014, describe nuevamente un metodo similar con un proceso de carestia secundaria prolongada.
En todos estos metodos, cualquier paso de acumulacion se realiza en un reactor separado.
[0007] La WO2013/022874 divulga un proceso para la produccion de PHA usando un residuo de regreso en una cubeta de aireacion de manera que un regimen de abundancia-carestia se proporciona en la misma cubeta de aireacion.
El residuo de regreso se puede tratar en un reactor de flujo de regreso donde se aplica una proporcion relativamente baja de nutrientes a biomasa. Ninguna acumulacion se ha descrito o sugerido.
[0008] Serafim et al. Appl.Microbiol.Biotechnol. 81 (2008) 615-628 y Bengtsson et al. Bioresource Technology 99 (2008) 509-516, revelan procesos para la produccion de PHA utilizando cultivos mezclados en el lote de secuenciacion o reactores continuos, donde los ciclos de abundancia y carestia de alimentos se pueden realizar en un reactor unico (seleccion).
Sin embargo, el ciclo de acumulacion es siempre realizado en un reactor separado.
Resumen de la invencion
[0009] Se ha descubierto que el proceso para seleccion de microorganismos capaces de producir PHA o de la produccion de otros compuestos de almacenamiento microbiano y ademas la acumulacion de tal compuesto de almacenamiento microbiano en microorganismos seleccionados se puede mejorar realizando la denominada fase de abundancia de nutrientes del paso de seleccion y la acumulacion del compuesto de almacenamiento microbiano en microorganismos seleccionados en el mismo reactor y realizando la denominada fase de carestia del paso de seleccion en un reactor separado.
[0010] Por consiguiente, la invencion proporciona un proceso para producir un compuesto de almacenamiento microbiano, que comprende los pasos siguientes:
a) suministro de un flujo de aguas residuales que comprende compuestos organicos que incluyen RBCOD a un primer reactor que contiene residuo activado que comprende microorganismos capaces de acumular el compuesto de almacenamiento microbiano para formar una mezcla de residuo activado en aguas residuales y someter el residuo en el primer reactor a condiciones de reaccion (es decir, acumulacion) que producen el compuesto de almacenamiento microbiano, durante un primer periodo de tiempo (la "fase de abundancia"), las condiciones que comprenden la presencia de oxigeno disuelto, para obtener residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano en aguas residuales tratadas;
b) transferencia de parte del residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano desde el primer reactor a un segundo reactor y mantenimiento de la parte del residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano en el primer reactor;
c) suministro de un flujo de aguas residuales que comprende compuestos organicos que incluyen RBCOD al primer reactor que contiene parte del residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano para formar una mezcla de residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano en aguas residuales y sometimiento del residuo a condiciones que acumulan el compuesto de almacenamiento microbiano durante un segundo periodo de tiempo (la "fase de acumulacion") para obtener un residuo activado que es ademas enriquecido en el compuesto de almacenamiento microbiano y aguas residuales tratadas, las condiciones de acumulacion comprenden la presencia de oxigeno disuelto;
d) retirada del residuo activado que es ademas enriquecido en el compuesto de almacenamiento microbiano desde el primer reactor como flujo del producto;
e) sometimiento del residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano en el segundo reactor en un medio de reaccion liquido a condiciones de reaccion de carestia durante un tercer periodo de tiempo (la "fase de carestia"), las condiciones comprenden la presencia de concentracion de oxigeno disuelto y un suministro de sustrato disminuido, para obtener un residuo activado enriquecido con microorganismos capaces de acumular el compuesto de almacenamiento microbiano; y
f) transferencia del residuo activado enriquecido con microorganismos capaces de acumular el compuesto de almacenamiento microbiano obtenido en el paso e) al primer reactor para formar el residuo activado que comprende microorganismos capaces de acumular el compuesto de almacenamiento microbiano en el paso a).
[0011] Una ventaja importante de una forma de realizacion preferida del proceso segun la invencion es que la fase de abundancia del paso de seleccion y el paso de acumulacion se puede llevar a cabo en un reactor continuo, donde las aguas residuales con sustrato continuamente se alimentan al reactor y las aguas residuales tratadas pueden ser continuamente retiradas del reactor, sin las desventajas tipicas de un proceso continuo tal como un tiempo de retencion distribuido de la biomasa (residuo). Descargando el residuo desde el primer reactor despues del paso de acumulacion c) y descargando el residuo del segundo reactor despues de la fase de carestia e), los tiempos de retencion de biomasa en cada uno de los pasos a), c) y e) son definidos escasamente.
Asi, el proceso combina las ventajas de un reactor discontinuo secuencial con las ventajas de un reactor continuo, es decir, no necesita transportar volumenes grandes de liquido en un periodo de tiempo corto relativamente y con ello ningun requisito para bombas grandes y capacidad de volumen de tampon.
Una ventaja adicional es que no se necesita ningun reactor de acumulacion separado.
La invencion se define por el conjunto anexo de reivindicaciones.
Resumen de los dibujos
[0012] Las figuras 1 a 7 esquematicamente muestran el primer y el segundo reactor y corrientes solidas y fluidas en pasos secuenciales de una forma de realizacion del proceso segun la invencion.
Las figuras juntas 1 a 7 muestran un ciclo completo del proceso.
Descripcion detallada de la invencion
[0013] El proceso segun la invencion es un proceso para producir un compuesto de almacenamiento microbiano. En el proceso, un flujo de aguas residuales que comprende compuestos organicos que incluye la demanda quimica de oxigeno facilmente biodegradable (RBCOD) se suministra a un primer reactor que contiene un residuo activado que comprende microorganismos capaces de acumular el compuesto de almacenamiento microbiano deseado.
[0014] En el contexto de la presente invencion, se aplican las definiciones siguientes:
— "Compuestos de almacenamiento microbiano" son compuestos producidos por microorganismos tales como bacterias, hongos y algas, para almacenar su energia en exceso. Los compuestos incluyen esteres, poliesteres, trigliceridos, otras grasas y aceites, y polisacaridos tales como glicogeno. Los poliesteres resultantes de esterificacion intermolecular de acidos hidroxi-carboxilicos son una clase importante de compuestos de almacenamiento microbiano, los mas prominentes son esteres polihidroxialcanoicos, en particular esteres poli-p-hidroxialcanoicos, tal como poli-p-hidroxibutirato (PHB) y poli-p-hidroxivalerato (PHV) con los preparados de abajo, donde n puede variar de decenas a centenas o incluso muchos miles, al igual que sus copolimeros.
[-O-CH(CHs )-CH2-CO-]n , PHB
[-O-CH(C2 H5 )-CH2-CO-]n , PHV
[0015] Los esteres poli-hidroxialcanoicos (o poli-oxialcanoatos) son comunmente (y aqui) referidos como polihidroxialcanoato (PHA).
— "Demanda qwmica de oxigeno" (COD) se refiere a materia organica que se puede oxidar a moleculas menores, en ultima instancia a dioxido de carbono y agua, y el termino expresa la cantidad de oxigeno que se necesitaria para oxidar la materia organica en un litro de aguas residuales.
— "COD biodegradable" se refiere a materia organica en aguas residuales que se pueden asimilar para crecimiento de biomasa.
— "Sustrato" significa sustrato para asimilacion por microorganismos para permitirles crecer, es decir equivalente a COD biodegradable.
— "Demanda quimica de oxigeno facilmente biodegradable (RBCOD)" se refiere a moleculas organicas relativamente pequenas que se pueden asimilar rapidamente por microorganismos como ademas se ilustra abajo".
— "Otra demanda de oxigeno quimico biodegradable (OBCOD)" se refiere a COD biodegradable diferente del RBCOD, es decir, compuestos organicos mas complejos y menos accesibles, por ejemplo polisacaridos complejos, grasas y proteinas, al igual que compuestos organicos que tienen relativamente pocos grupos que contienen oxigeno y grupos de hidrocarburo relativamente grandes, tales como acidos grasos de cadena larga.
— "Aguas residuales" se refiere a un flujo acuoso que comprende COD que necesita ser tratado antes de que se pueda reutilizar o descargar al medio ambiente. El termino aguas residuales por ejemplo incluye agua de proceso, corrientes de producto secundario o producto intermedio de industrias biologicas u otras industrias, incluyendo zumos de azucar o soluciones, aguas residuales municipales, aguas residuales agricolas y agua de lixiviacion de residuos biodegradables de solido por ejemplo residuos solidos municipales y residuos solidos de agricultura.
[0016] Tal como se ha definido anteriormente, RBCOD se refiere a moleculas organicas relativamente simples que se pueden asimilar para el crecimiento de microorganismos y se pueden absorber rapidamente y convertir en un compuesto de almacenamiento, frecuentemente sin requerir hidrolisis.
Los ejemplos de tal RBCOD incluyen acidos grasos volatiles, tambien referidos como acidos grasos de cadena corta, es decir, que tienen hasta 6 atomos de carbono, tal como acido formico, acido acetico, acido propionico, acido butirico, acido isobutirico, acido valerico, acido isovalerico y acido caproico, hidroxiacidos tal como acido lactico, carbohidratos tales como mono-sacaridos y disacaridos, acidos uronicos, alcoholes, cetonas, y aldehidos, preferiblemente alcoholes, cetonas, y aldehidos con hasta seis atomos de carbono y combinaciones de dos o mas de los mismos.
En otras palabras, RBCOD incluye compuestos organicos que tienen hasta 6 atomos de carbono por molecula y que tienen al menos un atomo de oxigeno hidroxilico (C-OH) o cetonico (C=O) por molecula y al menos un atomo de oxigeno por cuatro atomos de carbono, preferiblemente que tiene solo atomos de carbono, hidrogeno y de oxigeno, al igual que disacaridos.
La concentracion de RBCOD se puede determinar mediante metodos normalizados de respirometria que determinan la fraccion de COD de aguas residuales que se utiliza rapidamente cuando una parte alicuota de aguas residuales con una cantidad especifica de biomasa es alimentada por pulsos con sustrato bajo condiciones controladas.
Un ejemplo de un metodo normalizado adecuado de respirometria se describe en M. Henze et al., Activated Sludge Models ASM1, ASM2, ASM2d and ASM3, IWA Publishing, London, 2000, p. 16-17; ISBN 1900222248.
[0017] El flujo de aguas residuales puedenser discontinuo o continuamente suministrado al primer reactor en el paso a).
El flujo de aguas residuales puede ser cualquier flujo de aguas residuales que comprende RBCOD. Los ejemplos de tales flujos de aguas residuales incluyen, aguas residuales municipales, industriales o agricolas o agua de lixiviacion de residuos biodegradables solidos.
El flujo puede ser aguas residuales municipales, industriales o agricolas o corrientes de proceso o corrientes residuales como tal o, puede ser aguas residuales municipales, industriales o agricolas que han sido pretratadas, por ejemplo ha sido pre-hidrolizado para convertir los denominados OBCOD a RBCOD, y/o ha sido preacidificado o fermentado para convertir sacaridos u otros compuestos a acidos carboxilicos, preferiblemente acidos grasos volatiles o acido lactico.
Asi, el proceso de la invencion puede comprender un paso precedente en el que las aguas residuales crudas se someten a hidrolisis y/o fermentacion en un reactor separado, por ejemplo un reactor de formacion anaerobica donde se consigue la fermentacion parcial (hidrolisis, acidogenesis, acetogenesis).
[0018] El flujo de aguas residuales suministrado al primer reactor en el paso a) puede comprender ademas OBCOD. Preferiblemente, el flujo de aguas residuales comprende mas RBCOD que OBCOD. Preferiblemente, el flujo de aguas residuales comprende RBCOD en el rango de 0.5 a 50 gramos por litro, mas preferiblemente en el rango de 1 a 20 gramos por litro.
El flujo de aguas residuales preferiblemente comprende acidos grasos volatiles, mas preferiblemente en el rango de 0.5 a 50 gramos por litro de acidos grasos volatiles, aun mas preferiblemente en el rango de 1 a 20 gramos por litro.
[0019] El residuo activado comprende microorganismos que son capaces de la produccion del compuesto de almacenamiento microbiano deseado.
Preferiblemente, el compuesto de almacenamiento microbiano es PHA y el proceso es un proceso para producir PHA. En este caso, el residuo activado comprende microorganismos que acumulan PHA, preferiblemente bacterias que acumulan PHA.
Una vez el proceso funciona en el estado de equilibrio, el residuo activado es el residuo activado que es ademas enriquecido en la acumulacion de microorganismos obtenidos en el paso de carestia e) y transferidos al primer reactor en el paso f).
Al principio del proceso, el primer reactor se puede inocular con residuo activado u otras muestras que comprenden tal acumulacion de microorganismos o con cepas de microorganismos capaces de acumular el compuesto de almacenamiento microbiano deseado, en particular PHA. En el caso de que el flujo de aguas residuales suministrado al primer reactor comprenda microorganismos capaces de acumular el compuesto de almacenamiento microbiano deseado, el proceso puede comenzar sin inocular el primer reactor con residuo o con tales microorganismos.
[0020] Las bacterias de acumulacion de PHA y otros microorganismos capaces de acumular compuestos de almacenamiento microbiano son tipicamente presentes en cultivos sin axenico de microorganismos tal como se encuentran en muestras de tierra, agua natural o biomasa mezclada.
Ellos tambien pueden ser aislados o enriquecidos de plantas de aguas residuales municipales comunes.
Las bacterias de acumulacion de PHA pueden pertenecer a varios generos tales como genes alcalinos (por ejemplo A. Latus), Ralstonia (por ejemplo R. Eutropha), Cupriavidus (por ejemplo C. Necator), Chromatium (por ejemplo C. Vinosum) Mycobacterium, Bacillus, Pseudomonas, etc. Estos pueden especificamente o no especificamente crecer en varias fuentes de carbono tales como glucosa, metanol, etanol, acetato y/o otros acidos grasos.
Ver por ejemplo Tan G-Y.A. et al. Polymers 2014, 6, 706-754; Huang Y-T. et al. J. Microbiol.Biotechnol. 2012, 22,1141-47. Utiles particularmente son las bacterias del genero Plasticicumulans, tales como P. Acidivorans (que consume acetato) y P. Lacatativorans (que consume lactato), ver por ejemplo Tamis J. et al. J. Biotechnology 2014, 192, 161-169.
[0021] Por aguas residuales de suministro al primer reactor en el paso a), una mezcla de residuo activado en aguas residuales se forma en el primer reactor y la mezcla es luego sometida a condiciones de reaccion que acumulan el compuesto de reserva microbiana, en particular, condiciones de reaccion de acumulacion de p Ha , durante un primer periodo de tiempo para obtener el residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano en aguas residuales tratadas.
El periodo de tiempo se aplica a la mezcla en caso de operacion por grupos.
Si las aguas residuales se adicionan intermitentemente o continuamente (y por lo tanto, aguas residuales tratadas son intermitentemente o continuamente descargadas), el periodo de tiempo se aplica al tiempo de retencion del residuo, que no se descarga con las aguas residuales tratadas descargadas (continuamente) o al tiempo de retencion medio en caso de intercambio de residuo (semi)continuo.
[0022] Las condiciones de reaccion que producen el compuesto de reserva microbiana, en particular, las condiciones de reaccion de produccion de PHA son denominadas condiciones de abundancia y comprenden la presencia de sustrato en forma de RBCOD y la presencia de oxigeno disuelto.
Donde se hace referencia aqui a oxigeno disuelto, esto significa oxigeno molecular disuelto a menos que se indique de otro modo.
Para tener oxigeno disuelto, preferiblemente un gas que comprende ox^geno molecular, mas preferiblemente, aire se suministra al primer reactor.
Este se puede realizar continuamente o de forma discontinua, preferiblemente continuamente, durante el paso a).
[0023] Las cantidades de RBCOD y de oxigeno disuelto son de manera que estos no son limitativos para la produccion del compuesto de almacenamiento microbiano.
Se apreciara que las concentraciones minimas de RBCOD y oxigeno disuelto dependeran de la cantidad de microorganismos capaces de acumular compuestos de almacenamiento microbiano presentes en el reactor, el compuesto de almacenamiento microbiano que debe ser producido y otras condiciones del proceso tal como temperatura y pH de la mezcla en el reactor.
Preferiblemente, la concentracion de oxigeno disuelto sera al menos 0.32 mg, mas preferiblemente al menos 0.5 mg O2 por litro.
La concentracion de RBCOD sera preferiblemente al menos 10 mg/L.
[0024] En el caso de que el compuesto de almacenamiento microbiano sea PHA y el proceso sea un proceso para producir PHA, las condiciones de reaccion acumulacion de PHA en el paso a) preferiblemente comprenden un pH en el rango de 4 a 10, mas preferiblemente de 6 a 8, una temperatura en el rango de 10 a 50 °C, mas preferiblemente de 20 a 40 °C y una conductividad en el rango de 0 a 20 mS/cm.
[0025] Durante el paso de abundancia a), los microorganismos capaces de la acumulacion del compuesto de almacenamiento microbiano producen el compuesto de almacenamiento microbiano por conversion de RBCOD al compuesto de almacenamiento microbiano.
El compuesto de almacenamiento microbiano asi formado se almacena en los microorganismos, tipicamente en forma de granulos.
Asi, el residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano se forma en las aguas residuales tratadas.
Las condiciones de reaccion de acumulacion de compuesto de almacenamiento microbiano en el paso a) se mantienen durante un primer periodo de tiempo.
El primer periodo de tiempo puede ser un periodo de tiempo predeterminado, preferiblemente un periodo de tiempo predeterminado en el rango de 0.25 a 5 horas, mas preferiblemente, en el rango de 0.5 a 2 horas.
Alternativamente, el primer periodo de tiempo termina cuando se consigue una determinada concentracion minima de RBCOD (en el caso de suministro en lotes de aguas residuales y con ello del sustrato), cuando se produce una cantidad determinada del compuesto de almacenamiento microbiano o cuando el consumo de oxigeno se reduce.
Alternativamente, la concentracion de RBCOD en la mezcla en el primer reactor durante el paso a) puede mantenerse constante ajustando el suministro del flujo de aguas residuales.
El primer periodo de tiempo puede por tanto terminar cuando el caudal de aguas residuales suministra gotas por debajo de un valor determinado.
[0026] En el caso de que el compuesto de almacenamiento microbiano sea PHA, el primer periodo de tiempo es preferiblemente de tal manera que las bacterias acumulacion de PHA en el residuo activado, al final del paso a), han acumulado al menos 30 % en peso de PHA, basado en el peso en seco de residuo, por ejemplo 30 a 50 % en peso, o incluso al menos 50% de PHA, hasta por ejemplo 80 % en peso de PHA. Preferiblemente el primer periodo de tiempo, si es predeterminado o no, esta en el rango de 0.25 a 5 horas, mas preferiblemente en el rango de 0.25 a 2 horas o incluso de 0.5 a 2 horas.
En el caso de que las aguas residuales sean semicontinuamente o continuamente alimentadas al primer reactor en la fase de abundancia, los periodos de tiempo se refieren a los tiempos de retencion (media) del residuo, no de las aguas residuales.
[0027] Despues del primer periodo de tiempo, es decir despues de la fase de abundancia, parte del residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano se transfiere del primer reactor a un segundo reactor y parte del residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano se retiene en el primer reactor (paso b)).
Esto se puede realizar por transferencia de parte de la mezcla de residuo activado y aguas residuales tratadas que son contenidas en el primer reactor al segundo reactor al final del paso a).
Preferiblemente, la mezcla contenida en el primer reactor al final del paso a) se concentra en solidos, es decir en el residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano, antes de ser transferido al segundo reactor.
La concentracion de solidos es preferiblemente un factor dos o mas, mas preferiblemente un factor cuatro o mas. Tal concentracion puede realizarse por medios conocidos en la tecnica, por ejemplo mediante sedimentacion de residuo dentro o fuera del primer reactor o por medio de un separador solido-liquido dentro o fuera del primer reactor.
Los separadores solido-liquidos adecuados se conocen en la tecnica e incluyen colonizadoras, hidrociclones, centrifugadoras, membranas y filtros de banda.
Preferiblemente, tal concentracion se realiza en un decantador dentro del primer reactor, mas preferiblemente mediante sedimentacion.
Tal sedimentacion se puede conseguir parando el suministro de aguas residuales y de aire al primer reactor al final del paso a).
[0028] Una ventaja de concentracion del residuo activado antes de transferir tal residuo al segundo reactor es que se puede usar un segundo reactor menor.
Ya que la fase de carestia realizada en el segundo reactor en el paso e) se puede accionar a una proporcion (residuo) solido mas alto a liquido que el primer reactor en el paso a), resulta ventajoso para selectivamente transferir el residuo al segundo reactor.
Una ventaja adicional de menor transferencia de la fase liquida desde el primer reactor al segundo reactor es que se transfiere menos OBCOD al segundo reactor, asi minimizando el crecimiento de poblaciones laterales no deseadas, es decir biomasa que oxida OBCOD no deseada.
Ademas, ya que el compuesto de almacenamiento de acumulacion de biomasa deseado es mas pesado que la biomasa no deseada, la concentracion de residuo activado antes de transferir tal residuo al segundo reactor puede ventajosamente efectuarse de manera que la biomasa no deseada es separada de los microorganismos de acumulacion deseados en el residuo activado para ser transferido.
[0029] Preferiblemente, parte de las aguas residuales tratadas es transferida del primer reactor al segundo reactor, tipicamente con la mezcla (concentrado) de residuo y aguas residuales tratadas, para servir como medio de reaccion liquida en el paso de carestia e).
Alternativamente, las aguas residuales tratadas pueden primer ser separadas del residuo solido en un separador interno o externo y luego parte de las aguas residuales tratadas separadas se pueden transferir al segundo reactor para servir como medio de reaccion liquida en el paso de carestia e).
En algunas situaciones, por ejemplo en el caso de que el flujo de aguas residuales tenga una concentracion de sal alta relativamente y la fase de carestia en el segundo reactor (paso e)) es preferiblemente accionada a una concentracion de sal inferior, ninguna o una cantidad minima de aguas residuales tratadas se transfiere al segundo reactor y un liquido acuoso fresco se suministra al segundo reactor para servir como medio de reaccion liquida en el paso de carestia e).
[0030] La parte del residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano se retiene en el primer reactor.
Preferiblemente, al menos 30 % en peso del residuo se retiene en el primer reactor despues del paso a), mas preferiblemente en el rango de 40 a 60 % en peso.
El resto, preferiblemente al menos 30 % en peso hasta 70 % en peso, mas preferiblemente 40-60 % en peso se transfiere al segundo reactor.
[0031] Preferiblemente, una cantidad sustancial de aguas residuales tratadas se retiene en el primer reactor despues del paso a) y durante el paso b) de modo que ningun volumen de liquido de tampon grande se necesita para rellenar el primer reactor en el comienzo del paso de acumulacion c).
[0032] En el paso c), un flujo de aguas residuales que comprende compuestos organicos incluyendo RBCOD se suministra al primer reactor donde parte del residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano se retiene para formar una mezcla de tal residuo activado en aguas residuales.
Esta mezcla es luego sometida a condiciones de acumulacion de compuesto de almacenamiento microbiano durante un segundo periodo de tiempo (fase de acumulacion).
Bajo estas condiciones, los microorganismos de acumulacion en el residuo convierten RBCOD en el compuesto de almacenamiento microbiano, con lo que adicional se acumula el compuesto de almacenamiento microbiano. El residuo activado enriquecido ademas con el compuesto de almacenamiento microbiano se obtiene asi.
Nuevamente, en un modo (semi)-continuo, es decir, si las aguas residuales se anaden interm itentemente o continuamente, el periodo de tiempo no se aplica a la mezcla como tal, sino al residuo, que no se descarga con las aguas residuales tratadas (continuamente) descargadas; esto significa que el periodo de tiempo se refiere al tiempo de retencion (medio) del residuo.
[0033] Las condiciones de acumulacion comprenden la presencia de RBCOD y la presencia de oxigeno disuelto. Las cantidades de RBCOD y de oxigeno disuelto en la mezcla en el primer reactor en el paso de acumulacion c) son de tal manera que estas no son limitativas para la acumulacion del compuesto de almacenamiento microbiano.
Sera apreciara que las concentraciones minimas de RBCOD y oxigeno disuelto dependeran de la cantidad de acumulacion de microorganismos presentes en el reactor, el compuesto de almacenamiento microbiano que se debe producir y otras condiciones del proceso tales como temperatura y pH de la mezcla en el reactor.
Preferiblemente, la concentracion de oxigeno disuelto sera al menos 0.5 mg O2 por litro.
La concentracion de RBCOD preferiblemente sera al menos 10 mg/L. En el caso del compuesto de almacenamiento microbiano es PHA y el proceso es un proceso para producir PHA, las condiciones de reaccion acumulacion de PHA en el paso c) preferiblemente comprenden un pH en el rango de 4 a 10, mas preferiblemente de 6 a 8, una temperatura en el rango de 10 a 50 °C, mas preferiblemente de 20 a 40 °C y una conductividad en el rango de 0 a 20 mS/cm.
[0034] Las condiciones de acumulacion son preferiblemente las mismas que las condiciones de reaccion que acumulan el compuesto de almacenamiento microbiano en el paso a).
Para minimizar el crecimiento durante la abundancia (paso a) y acumulacion (paso c), las aguas residuales alimentadas al primer reactor son preferiblemente limitadas en uno o mas nutrientes, por ejemplo limitadas en nitrogeno (proporcion de COD biodegradable a N mas del 300 a 1 basado en peso) o limitado en fosforo (proporcion de COD biodegradable a P mas del 1500 a 1 basado en peso).
[0035] Preferiblemente, el flujo de aguas residuales que se suministra al primer reactor en el paso de acumulacion c) es el mismo que el flujo de aguas residuales suministrado al primer reactor en el paso de abundancia a).
En una forma de realizacion preferida, el suministro continuo de oxigeno molecular y de aguas residuales al primer reactor se detiene temporalmente despues del paso a) para permitir al residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano sedimentarse en el primer reactor.
Una parte del residuo sedimentado es luego transferida al segundo reactor en el paso b), tipicamente junto con algunas de las aguas residuales tratadas.
El suministro de oxigeno molecular y aguas residuales al primer reactor es luego reanudado para iniciar el paso de acumulacion c).
En tal forma de realizacion con el suministro continuo de aguas residuales y oxigeno molecular al primer reactor, los caudales del suministro de oxigeno y aguas residuales se pueden variar durante el tiempo de ejecucion de los pasos a) y c).
[0036] El paso c) se realiza durante un segundo periodo de tiempo.
El segundo periodo de tiempo puede ser un periodo de tiempo predeterminado, preferiblemente un periodo de tiempo predeterminado en el rango de 2 a 24 horas, mas preferiblemente en el rango de 4 a 24 horas o incluso de 4 a 12 horas.
Alternativamente, el segundo periodo de tiempo termina cuando una determinada concentracion minima de RBCOD se consigue (en el caso de suministro por lotes de aguas residuales y con ello de sustrato) cuando se produce una cantidad determinada de compuesto de almacenamiento microbiano o cuando el consumo de oxigeno se reduce.
Alternativamente, la concentracion de RBCOD en la mezcla en el primer reactor durante el paso c) puede mantenerse constante controlando el suministro del flujo de aguas residuales.
El segundo periodo de tiempo puede luego terminar cuando el caudal de aguas residuales suministra gotas por debajo de un valor determinado.
El segundo periodo de tiempo, es decir, la longitud de la fase de acumulacion, es preferiblemente mas larga que el primer periodo de tiempo, es decir la fase de abundancia.
En particular, el segundo periodo de tiempo es al menos dos veces, hasta por ejemplo 24 veces el primer periodo de tiempo, mas en particular, entre 4 y 20 veces a lo sumo.
[0037] En el caso de que el compuesto de almacenamiento microbiano sea PHA, el segundo periodo de tiempo es preferiblemente de manera que las bacterias de acumulacion de PHA en el residuo activado, al final del paso c) hayan acumulado al menos 60 % en peso, mas preferiblemente al menos 70 % en peso, aun mas preferiblemente al menos 80 % en peso de PHA, hasta por ejemplo 90 % en peso de PHA, basado en el peso en seco de residuo.
[0038] Las aguas residuales tratadas pueden ser continuamente retiradas del primer reactor durante los pasos a) y/o c) o discontinuas al final del paso a) o durante el paso b).
En el caso de que las aguas residuales tratadas sean continuamente retiradas desde el primer reactor durante los pasos a) y/o c), el primer reactor preferiblemente comprende un decantador para separar cualquier residuo de las aguas residuales tratadas de modo que residuo se retiene en el primer reactor.
Tal decantador puede ser situado dentro del reactor, preferiblemente en una parte superior del reactor justo antes de una salida para aguas residuales tratadas o fuera del reactor con reciclaje de residuo separado al primer reactor.
Se apreciara que un decantador para prevenir que el residuo sea retirado desde el primer reactor con el retiro continuo de aguas residuales tratadas es un decantador diferente como un decantador que se puede utilizar para concentrar residuo activado que se transfiere al segundo reactor en el paso b).
[0039] Al final del paso de acumulacion c), es decir despues del segundo periodo de tiempo, el residuo activado que es ademas enriquecido en el compuesto de almacenamiento microbiano se retira del primer reactor como flujo del producto en el paso d).
El compuesto de almacenamiento microbiano se puede recuperar de este flujo del producto en uno o mas pasos adicionales para aplicacion en por ejemplo bioplasticos.
Tales pasos son bien conocidos en la tecnica y tipicamente comprenden la interrupcion de las celulas microbianas para recoger el compuesto de almacenamiento microbiano y otros pasos de purificacion.
[0040] En el paso e), el residuo activado que comprende el compuesto de almacenamiento microbiano en el segundo reactor se somete a un medio de reaccion Hquida, tfpicamente a un medio de reaccion Hquida de aguas residuales tratadas desde el primer reactor, a las denominadas condiciones de carestia durante un tercer periodo de tiempo para obtener el residuo activado enriquecido con microorganismos capaces de acumular el compuesto de almacenamiento microbiano.
Las condiciones de carestia comprenden la presencia de oxigeno disuelto y la ausencia de suministro de sustrato, es decir sin BCOD adicionado o la presencia de sustrato a un nivel de promedio inferior que durante la fase de abundancia del paso a) en que, durante el paso e), el suministro de RBCOD es inferior a sustancialmente el indice de absorcion por los microorganismos.
Asi, el paso e) implica una disminucion de RBCOD, lo que significa que la concentracion de RBCOD reacciona lejos de los microorganismos que acumulan el compuesto de almacenamiento (tal como PHA), en cuya fase los microorganismos comienzan utilizando el compuesto de almacenamiento para crecimiento.
En particular, el suministro de sustrato es cero sustancialmente.
Los microorganismos no deseados pueden crecer en la fase de carestia por el consumo del OBCOD presente. Esto es por lo que el suministro de OBCOD deberia preferiblemente ser minimizado como se ha descrito anteriormente.
[0041] Tales condiciones de carestia son bien conocidas en la tecnica y cualquier condiciones de carestia adecuadas conocidas en la tecnica pueden ser aplicadas.
En la etapa de carestia e), la concentracion de COD biodegradable (RBCOD y OBCOD) en el medio de reaccion liquido es preferiblemente menos de 0.1 veces, mas preferiblemente menos de 0.02 veces, la concentracion de COD biodegradable en el paso de abundancia a); es decir, este alcanza estos niveles inferiores a una fase temprana de paso de carestia e).
En particular, la concentracion de solo RBCOD en el medio de reaccion liquida del paso e) alcanza preferiblemente menos de 0.1 veces, mas preferiblemente menos de 0.02 veces, la concentracion de RBCOD en el paso de abundancia a).
La concentracion de oxigeno disuelto es preferiblemente de manera que no es limitativa para el crecimiento de los microorganismos capaces de acumular el compuesto de almacenamiento microbiano.
Preferiblemente, la concentracion de oxigeno disuelto en el segundo reactor en el paso e) es al menos 0.32 mg, mas preferiblemente al menos 0.5 mg por litro de medio de reaccion de liquido.
[0042] Ya que el paso e) es el paso donde tiene lugar el crecimiento de los microorganismos deseados, es importante que los nutrientes esenciales para este tipo de crecimiento esten presentes en el medio de reaccion liquido.
En el caso de que la concentracion de nutrientes esenciales limite el crecimiento de tales microorganismos en las aguas residuales tratadas que se transfieren desde el primer reactor al segundo reactor, se prefiere anadir tales nutrientes al segundo reactor justo antes o durante el paso e).
Los nutrientes que se pueden adicionar comprenden una fuente de P, tal como fosfato, una fuente de N, tal como amoniaco, amonio, urea o nitrato, otros elementos de macro u oligoelementos, o combinaciones de los mismos.
[0043] Despues del paso e), el residuo activado enriquecido con microorganismos capaces de acumular el compuesto de almacenamiento microbiano se retira del segundo reactor y se transfiere al primer reactor para formar el residuo activado que comprende microorganismos capaces de acumular el compuesto de almacenamiento microbiano en el paso a).
[0044] El tercer periodo de tiempo es preferiblemente un periodo de tiempo predeterminado, mas preferiblemente un periodo de tiempo predeterminado en el rango de 2 a 24 horas, mas preferiblemente 4 a 24 horas, aun mas preferiblemente en el rango de 4 a 12 horas.
Se aplica en particular al tiempo de retencion del residuo en el segundo reactor o tiempo de retencion medio en caso del intercambio de residuo (semi)continuo.
[0045] En una forma de realizacion preferida de la invencion, la etapa de acumulacion c) y etapa de carestia e) se realizan simultaneamente y preferiblemente tienen una longitud comparable, es decir el segundo y tercer tiempo de reaccion son aproximadamente el mismo.
Asi, el tercer periodo de tiempo es preferiblemente al menos dos veces, hasta por ejemplo 24 veces siempre y cuando primer periodo de tiempo, mas en particular, entre 4 y 20 veces a lo sumo.
En el caso de que se desee tener un tercer periodo de tiempo (fase de carestia) que sea mas largo sustancialmente que el segundo periodo de tiempo (etapa de acumulacion), se prefiere operar el proceso segun la invencion con mas de unos segundos reactores, preferiblemente con dos segundos reactores.
En caso de dos segundos reactores, el residuo activado que ha sido enriquecido en los microorganismos de acumulacion deseada en una fase de carestia (paso e)) que usa residuo activado obtenido en el paso de abundancia (paso a)) de un ciclo precedente del proceso, es luego transferido al primer reactor en el paso f). De esta manera, el periodo de permanencia en cada segundo reactor puede ser como mucho dos veces el segundo periodo de tiempo mas una vez el primer periodo de tiempo.
Asi, el periodo de permanencia en la fase de carestfa es luego cerca de dos veces el periodo de permanencia en el paso de acumulacion, y puede ser hasta 40 veces la longitud del primer periodo de tiempo (fase de abundancia).
[0046] Al final del paso de acumulacion c), el residuo activado se retira del primer reactor como un flujo del producto (paso d)).
Preferiblemente, esencialmente todo el residuo activado se retira del primer reactor en el paso d).
Preferiblemente, el residuo activado es selectivamente retirado desde el primer reactor, es decir reteniendo la mayor parte de la fase liquida en el reactor.
Una ventaja del retiro selectivo de residuo es que se necesitaria menos liquido de bombeo y de tampon.
Tal retiro selectivo puede realizarse por medios conocidos en la tecnica, por ejemplo por primero permitiendo al residuo sedimentarse en el primer reactor antes de retirar el residuo sedimentado.
Alternativamente, un separador solido/liquido adecuado dentro o fuera del primer reactor puede ser utilizado, tal como un decantador, un centrifugo, un hidrociclon, un filtro o una membrana.
Si la separacion solido/liquido tiene lugar fuera del primer reactor, esta se hace preferiblemente en un bucle de reciclaje y la mayor parte del liquido separado se recicla al primer reactor.
[0047] Por alineacion de los tiempos de estancia del paso de acumulacion el primer reactor y la fase de carestia en el segundo reactor, se hace uso optimo del primer y el segundo reactor.
Ademas, realizando el paso de carestia un reactor diferente a los pasos de abundancia y acumulacion, el dimensionamiento del reactor puede ser optimizado, ya que los requisitos para la fase de abundancia y el paso de acumulacion en terminos de oxigeno y suministro de sustrato son comparables, mientras que aquellos para la fase de carestia son diferentes.
Asi, el sobredimensionamiento del reactor, que es normalmente el caso en los procesos del estado de la tecnica donde las fases de abundancia y carestia se realizan en un reactor unico, se evita.
[0048] Las concentraciones de oxigeno disuelto deseadas en los pasos a) y c) en el primer reactor y en el paso e) en el segundo reactor se mantienen suministrando oxigeno molecular de suministro u otro oxidante que comprende oxigeno al primer reactor o al segundo reactor durante estos pasos, preferiblemente por continuamente alimentando un flujo de aire al reactor pertinente.
[0049] El volumen del segundo reactor es menor tipicamente que el volumen del primer reactor.
Preferiblemente, el volumen del segundo reactor es de 5% a como mucho el 50% del volumen del primer reactor, mas preferiblemente, en el rango de 10% a 20% del volumen del primer reactor.
Esto es principalmente debido al hecho en el paso e) (fase de carestia) de que se puede utilizar una mayor proporcion residuo a medio de reaccion liquido que en los pasos a) y c) en el primer reactor.
Preferiblemente, la proporcion de residuo a medio de reaccion liquido en el paso e) esta en el rango de 2 a 10 veces mayor que en los pasos a) y c), mas preferiblemente en el rango de 5 a 8 veces mayor.
[0050] En una forma de realizacion preferida del proceso de la invencion, los pasos a) y c) se realizan de forma discontinua o continuamente respecto a la alimentacion de las aguas residuales y los pasos b), d) y f) se realizan en forma de lotes respecto al residuo de transferencia, es decir despues de la finalizacion del primer, segundo y tercer periodo de tiempo, respectivamente, como se ha explicado adicionalmente arriba.
En otra forma de realizacion de la invencion, uno o mas de los pasos b), d) y f), preferiblemente al menos pasos b) y f) se realizan continuamente o semicontinuamente (intermitentemente), es decir, durante los pasos a), c) y e), respectivamente.
En tal modo continuo completamente, los primeros, segundos y terceros periodos de tiempo para someter los varios residuos a las condiciones de abundancia, acumulacion y carestia, respectivamente, recurren a los tiempos de retencion de residuo medios en el primer reactor y en el segundo reactor; (estos son los tiempos antes de que el residuo retorne al segundo reactor (paso a)) y antes de que el residuo de producto se descargue desde el primer reactor (paso c)) y antes de que el residuo crecido retorne al primer reactor (etapa e)).
Descripcion detallada de los dibujos
[0051]
Las figuras 1 a 7 esquematicamente muestran pasos secuenciales diferentes de una forma de realizacion del proceso segun la invencion.
Las figuras juntas 1 a 7 muestran un ciclo completo del proceso.
Los numeros de referencia iguales en las figuras tienen el mismo sentido.
Las lineas punteadas muestran conductos a traves de los cuales ningun flujo esta fluyedo, lineas normales muestran conductos a traves de los cuales un flujo esta fluyendo durante la etapa representada del proceso. La Figura 1 representa la denominada fase de abundancia (paso a)) del proceso segun la invencion.
En la figura 1 se muestra el primer reactor 1 y segundo reactor 2. Un flujo de aguas residuales que comprende acidos grasos volatiles es continuamente suministrado al primer reactor 1 con el conducto 3 y el aire es continuamente suministrado al primer reactor 1 con el conducto 4. El primer reactor 1 contiene una mezcla 5 de residuo activado que comprende bacterias de acumulacion de PHA dispersadas en aguas residuales (tratada)s.
El reactor es accionado bajo condiciones denominadas de abundancia (condiciones de reaccion de produccion de PHA).
Bajo estas condiciones, los acidos grasos volatiles se convierten en el PHA por las bacterias de acumulacion de PHA en el residuo activado.
Asi, se obtiene el residuo activado que comprende PHA.
Las aguas residuales tratadas continuamente se retiran del reactor 1 via el conducto 6. El decantador 7 separa el residuo de las aguas residuales tratadas y con lo que el residuo se retiene en el primer reactor 1. La Figura 2 muestra el paso de sedimentacion posterior en el proceso.
Por interrupcion los suministros de aguas residuales y aire via conductos 3 y 4, respectivamente, el residuo activado que comprende PHA se permite sedimentar y se forma una capa 8 de residuo activado que comprende PHA concentrado.
La capa de arriba 8, una mezcla mas diluida 11 de residuo activado que comprende PHA dispersado en aguas residuales tratadas esta presente.
La Figura 3 muestra el paso posterior b) del proceso donde el residuo activado que comprende PHA concentrado se transfiere via el conducto 9 al segundo reactor 2 (aproximadamente la mitad de la capa 8 se transfiere al segundo reactor 2).
El segundo reactor 2 ahora contiene una mezcla concentrada 12 de residuo activado que comprende PHA en aguas residuales tratadas.
La Figura 4 muestra el posterior paso de acumulacion c) en el primer reactor 1 y el paso de carestia e) en el segundo reactor 2. Los pasos c) y e) se realizan simultaneamente.
Los suministros de aguas residuales y aire al primer reactor 1 via conductos 3 y 4 se reanudan y las aguas residuales tratadas continuamente se retiran del reactor 1 via la linea 6. Las condiciones durante el paso c) son esencialmente los mismos que en el paso a).
Durante el paso c) PHA es posteriormente acumulado en las bacterias de acumulacion de PHA y se obtiene una mezcla 13 de residuo activado ademas enriquecida con PHA dispersado en aguas residuales tratadas. En el paso simultaneo e), el aire se suministra al segundo reactor 2 via el conducto 14.
Ningun sustrato se suministra al segundo reactor 2. Bajo estas condiciones denominadas de carestia, es decir bajo condiciones de que la concentracion de sustrato es limitativa, las bacterias que han producido y almacenado PHA en el paso a) selectivamente crecen y se obtiene el residuo activado 15 enriquecido ademas con bacterias de acumulacion de PHA.
La Figura 5 muestra el paso de sedimentacion posterior en el proceso.
Por interrupcion, los suministros de aguas residuales y aire via conductos 3 y 4, respectivamente, el residuo activado enriquecido ademas con PHA en el primer reactor 1 se permiten sedimentar y se forma una capa 16 de residuo concentrado enriquecida ademas con PHA.
La Figura 6 muestra el paso posterior d) donde el residuo concentrado enriquecido ademas con PHA se retira del primer reactor 1 via el conducto 17 como flujo del producto.
La Figura 7 muestra el paso posterior f) donde el residuo activado enriquecido ademas con bacterias de acumulacion de PHA se transfiere via el conducto 18 del segundo reactor 2 al primer reactor 1 para formar el residuo activado que comprende bacterias de acumulacion de PHA para ser usadas en el paso posterior a), es decir el primer paso de un ciclo posterior del proceso.
Por repeticion de los ciclos del proceso como se muestra en las figuras 1 a 7, se consigue una presion de seleccion para bacterias de acumulacion de PHA.
Ejemplos
[0052] La conversion de RBCOD presente en aguas residuales para biomasa con un contenido de PHA alto que luego puede ser ademas purificado requiere dos pasos:
[0053] En primer lugar, un proceso de seleccion eficaz se requiere para producir la cantidad requerida de biomasa con un contenido lo mas alto posible de las bacterias de acumulacion de PHA deseadas.
Esto tipicamente se hace en un regimen abundancia-carestia donde las bacterias en un tiempo breve convierten RBCOD a PHA y en un tiempo mas largo crecen por conversion del PHA a biomasa.
El tiempo de carestia es tipicamente mas de 10 veces mas largo que el tiempo de abundancia.
[0054] En segundo lugar, esta biomasa necesita ser contactada con una cantidad alta de aguas residuales que contienen RBCOD para maximizar el contenido PHA en las celulas (paso de acumulacion).
[0055] Para producir biomasa que contiene aproximadamente 85 % en peso PHA, alrededor de 20 % de las aguas residuales que contienen RBCOD se usa para la produccion de biomasa y aproximadamente 80 % para la produccion de PHA en el paso de acumulacion.
[0056] El estado de la tecnica considera la seleccion y acumulacion como pasos separados.
La presente invencion muestra las ventajas de un sistema integrado donde se combinan seleccion y acumulacion.
Ejemplo (comparativo)
[0057] Este ejemplo muestra encolado de biorreactor estimado utilizando un reactor en lote secuencial (SBR) de seleccion separada (abundancia-carestfa) y un reactor de acumulacion separada en comparacion con un reactor combinado de abundancia/acumulacion y un reactor de carestia separada que asume max. 1 kg/m3.h de oxigeno transferido a todos los reactores.
El requisito de oxigeno en la fase de abundancia y acumulacion se ha descubierto que esta alrededor de 0.3 kg O2 por kg de acetato convertido a PHA. La cantidad absoluta de oxigeno requerido en la fase de carestia es comparable con la fase de abundancia pero ya que el tiempo de carestia es mas de 10 veces mas largo que la fase de abundancia, el grado de transferencia de oxigeno requerido es mas de 10 veces menor en el caso del mismo volumen de reactor se usa para las fases de abundancia y de carestia como es el caso de la configuracion de SBR.
El grado de transferencia de oxigeno requerido en la fase de abundancia por lo tanto determina el volumen de reactor en el caso de que la transferencia de oxigeno sea limitativa.
Esto normalmente sera el caso de concentraciones de RBCOD elevadas.
Aguas residuales totales disponibles:
[0058]
Concentracion de RBCOD: 4 g/l (kg/m3) de acetato
Flujo de aguas residuales segun el promedio de tiempo: 100 m3/h
Seleccion en un reactor en lotes secuencial (abundancia-carestia):
[0059]
Flujo de aguas residuales calculado segun el promedio de tiempo para seleccion: 20 m3/h
Carga de acetato segun el promedio de tiempo: 20 x 4 = 80 kg/h
Ciclo de abundancia carestia: 12 h, de las cuales el tiempo de abundancia: 40 minutos (0.667 h) y
El tiempo de carestia: 11 h 20 m (11.333 h)
Absorcion de acetato durante la fase de abundancia solo: 80 x 12 h / 0.667 h = 1440 kg/h acetato.
Requisito de oxigeno en la fase de abundancia = 1440 x 0.3 = 432 kg/h O2.
Volumen de reactor basado en max. de 1 kg/m3.h y medio 1 kg/m3.h O2 indice de transferencia = 432 kg/h: 1 kg/m3.h = 432 m3.
Reactor de acumulacion:
[0060]
Las aguas residuales calculadas segun el promedio de tiempo para acumulacion: 80 m3/h.
La carga de acetato segun el promedio de tiempo: 80 x 4 = 320 kg/h acetato.
El requisito de oxigeno segun el promedio de tiempo en el reactor de acumulacion = 320 x 0.3 = 96 kg/h O2. El volumen basado en max. 1 kg/m3.h O2 y un promedio de 0.5 kg/m3.h O2 indice de transferencia = 96/0.5 = 192 m3. ^ capacidad de reactor total requerida: 432 192 = 624 m3
[0061] Las desventajas principales de esta configuracion:
- la capacidad de transferencia de oxigeno disponible en el reactor de seleccion solo se usa durante alrededor de 5 a 10 % del tiempo durante la fase de abundancia. Para el resto del tiempo mas del 90 % de la capacidad de oxidacion no se usa.
- en el caso de asentamiento despues de que se aplique la abundancia para eliminar OBCOD, el reactor se hara funcionar mas de la mitad vacio durante mas del 90 % del tiempo. Ademas, al lado de la eficiencia inferior este tambien presenta problemas tecnicos para seleccion de dispositivos de aireacion.
- cada ciclo en la seleccion 12 h x 20 m3/h = 240 m3 de agua necesita ser almacenado y bombeado en breve tiempo al principio y el final del ciclo.
Ejemplo (invencion)
[0062] Se ha observado segun la invencion que estos problemas pueden surgir usando el mismo primer reactor en volumen tambien para acumulacion y aplicando un reactor de carestia menor en vez de un reactor de acumulacion separado.
Reactor de abundancia y acumulacion combinados:
[0063]
Aguas residuales segun el promedio de tiempo para seleccion: 100 m3/h
La carga de acetato segun el promedio de tiempo: 100 x 4 = 400 kg/h
El requisito de oxigeno segun el promedio de tiempo = 400 x 0.3 = 120 kg/h O2
El volumen basado en max. 1 kg/m3.h O2 y un promedio de 0.277 kg/m3.h O2 rndice de transferencia = 120/0.277 = 433 m3.
Reactor de carestia
[0064] El reactor de carestia separado puede ser 10 veces menor en comparacion con el primer reactor como resultado del requisito de oxigeno inferior y minimizando el caudal hidraulico debido al grosor de residuo despues de la fase de abundancia: 45 m3. ^ capacidad de reactor total requerida: 436 45 = 481 m3
[0065] Ademas del volumen de reactor inferior en general y uso mas eficaz de la capacidad de aireacion instalada y energia, por tanto menos capacidad tamponadora de aguas residuales hidraulicas tambien es requerida como la cantidad total de agua bombeada en breve tiempo del segundo al primer reactor es inferior a 45 m3 por ciclo.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Proceso para producir polihidroxialcanoato (PHA), que comprende los pasos siguientes:
a) suministro de un flujo de aguas residuales que comprende COD facilmente biodegradable (RBCOD) a un primer reactor que contiene el residuo activado que comprende microorganismos capaces de acumular PHA y sometimiento del residuo en el primer reactor a condiciones de reaccion de acumulacion de PHA durante un primer periodo de tiempo de 0.25 a 5 h, las condiciones comprenden la presencia de oxigeno disuelto y la presencia de al menos 10 mg/l de COD facilmente biodegradable en la mezcla, para obtener un residuo activado que comprende PHA a un nivel de al menos 30 % en peso basado en el peso en seco del residuo; b) transferencia de parte del residuo activado que comprende PHA desde el primer reactor a un segundo reactor y mantenimiento de parte del residuo activado que comprende PHA en el primer reactor;
c) suministro de un flujo de aguas residuales que comprende RBCOD al primer reactor que contiene parte del residuo activado que comprende PHA y sometimiento del residuo a condiciones acumulacion de PHA durante un segundo periodo de tiempo de 2 a 24 h, las condiciones acumulacion de PHA que comprenden la presencia de oxigeno disuelto y la presencia de al menos 10 mg/l de COD facilmente biodegradable, para obtener el residuo activado que es ademas enriquecido con PHA a un nivel de al menos 60 % en peso basado en el peso en seco del residuo, y aguas residuales tratadas;
d) retirada del residuo activado que es ademas enriquecido con PHA desde el primer reactor como un flujo del producto;
c) sometimiento del residuo activado que comprende PHA en el segundo reactor en un medio de reaccion liquido a condiciones de reaccion de carestia durante un tercer periodo de tiempo de entre 2 y 24 h, las condiciones de reaccion de carestia comprenden la presencia de oxigeno disuelto, para obtener residuo activado enriquecido con microorganismos capaces de la acumulacion de PHA; y
f) transferencia del residuo activado enriquecido en microorganismos capaces de acumular PHA obtenido en el paso e) al primer reactor para formar el residuo activado que comprende microorganismos capaces de acumular PHA en el paso a).
2. Proceso segun la reivindicacion 1, donde los microorganismos son bacterias.
3. Proceso segun la reivindicacion 1 o 2, donde la concentracion de COD facilmente biodegradable en el flujo de aguas residuales esta en el rango de 0.5 a 50 gramos por litro, preferiblemente de 1 a 20 gramos por litro.
4. Proceso segun la reivindicacion 3, donde el flujo de aguas residuales comprende acidos grasos volatiles, preferiblemente en una concentracion en el rango de 0.5 a 50 gramos por litro, mas preferiblemente de 1 a 20 gramos por litro.
5. Proceso segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde los pasos c) y e) se realizan simultaneamente.
6. Proceso segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el primer periodo de tiempo en el paso a) esta en el rango de 0.5 a 2 horas.
7. Proceso segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el segundo periodo de tiempo en el paso c) esta en el rango de 4 a 12 horas.
8. Proceso segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el tercer periodo de tiempo en el paso e) es de 4 a 12 h.
9. Proceso segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el flujo de aguas residuales es continuamente suministrado al primer reactor durante los pasos a) y c) y un flujo de aguas residuales tratadas es continuamente retirado del primer reactor durante los pasos a) y c).
10. Proceso segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde los pasos b), d) y f) se realizan despues de la finalizacion del primer, segundo y tercer periodo de tiempo, respectivamente.
11. Proceso segun cualquiera de las reivindicaciones 1-9, donde uno o mas de los pasos b), d) y f) son realizados continuamente.
12. Proceso segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde en el paso b) la parte transferida es al menos 40 % en peso y la parte retenida es al menos 30% del residuo activado que comprende PHA.
13. Proceso segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde la parte del residuo activado que comprende PHA transferido desde el primer reactor al segundo reactor en el paso b) se concentra antes de ser suministrado al segundo reactor.
14. Proceso segun la reivindicacion 13, donde la parte del residuo activado que comprende PHA transferido desde el primer reactor al segundo reactor se concentra en el primer reactor antes de ser retirado del primer reactor.
15. Proceso segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el volumen del segundo reactor es 50% o menos del volumen del primer reactor.
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