Diseño de plantas de tratamiento

1. También microbiología
industrial

2. Biotecnolo
gía:
• Uso de microorganismos vivos
o de sus productos en
procesos industriales o
ambientales a gran escala

3. Fases de la
biotecnología
microbiana:

4. Tecnología microbiana
tradicional:
 Fermentaciones
alcohólicas
 Producción de
productos
farmacéuticos ,
aditivos alimentarios,
enzimas y sustancias
químicas industriales
 Biorremediación
Tecnología microbiana
con organismos
alterados mediante
procesos de ingeniería
genética:
• Fabricación de
hormonas
• Moduladores del
sistema inmune
• Vacunas

5. Microorganismos
industriales
• No todos los
microorganismos tienen un
uso industrial
• Microorganismos industriales
producen uno o más
productos específicos

6. • El microorganismo
es modificado antes
de ingresar a la
industria: se altera
genéticamente por
mutación o por
recombinación
• Microorganismos
industriales son
especialistas
metabólicos capaces
de producir
específicamente y con
un alto rendimiento,
metabolitos particulares

7. • La fuente de todas
las cepas
industriales es el
ambiente natural
• Las cepas
industriales se
depositan en
colecciones de
cultivos que sirven
como almacén

8. Requisitos de un microorganismo industrial:
• Producir la sustancia de interés
• Crecer rápidamente en un medio de cultivo barato
• Fabricar el producto en un período corto
• Desarrollarse en cultivo puro y en gran escala
• Ser estable genéticamente pero susceptible de
manipulación genética
• Cultivos que se mantengan durante períodos
largos en laboratorio y en planta industrial
• Facilidad para inocular en grandes fermentadores
• No debe ser peligroso para el hombre o las
plantas y animales de interés económico
• Posibilidad de retirar fácilmente las células del
cultivo

9. Clases de productos
industriales
Metabolitos
microbianos
• Alcohol
• Ácido acético
• Ácido láctico
• Aminoácidos
• Vitaminas
• Antibióticos
• Esteroides
• Alcaloides
Células microbianas
• Proteína unicelular:
levaduras, algas,
bacterias y hongos
• Células para la
inoculación:bacteri
as fijadoras de
nitrógeno,
micorrizas,
inóculos para la
fermentación de
lácteos y
embutidos
Enzimas
Digestión de
almidones,
lípidos y
proteínas
Síntesis de
antibióticos
semisintéticos

10. Clasificación de los productos industriales
según su uso:
• Productos farmacéuticos de
origen microbiano
• Biotecnología microbiana en
agricultura
• Sustancias químicas y
aditivos alimentarios
• Productos químicos
comerciales y producción de
energía
• Biorremediación

11. Productos farmacéuticos de origen
microbiano
• Antibióticos
• Hormonas esteroides
• Insulina
• Hormona del crecimiento
• Linfocinas
• Péptidos neuroactivos
• Factores de coagulación sanguínea
• Activador del plasminógeno tisular
• Vacunas
• Anticuerpos monoclonales para diagnóstico y
terapia

12. Biotecnología microbiana en agricultura
• Productos farmacéuticos
veterinarios de origen
microbiano
• Inóculos radiculares
• Ingeniería genética de
plantas mediada por
microorganismos como
portadores genéticos

13. Sustancias químicas y aditivos alimentarios
Sustancias especiales y aditivos alimentarios:
• Aminoácidos:
– Glutamato: potenciar el sabor
– Aspartato+alanina: modular el sabor de jugos de
frutas
– glicina: mejorar el sabor de alimentos dulces
– Aspartame: endulzar
– Lisina y metionina: aditivos nutrivos
– Cisteína antioxidante de jugos de frurtas
– Triptofano + histidina: evita la rancidez de los
alimentos
• Vitaminas: rivoflavina, vitamina B12, vitamina C

14. Productos químicos comerciales y
producción de energía
Productos químicos
comerciales de
estructura sencilla y
bajo valor monetarios
• Etanol (combustible
para motores)
• Ácido acético
• Ácido láctico
• Glicerol

15. Crecimiento y formación de
productos industriales
Sustrato para el
crecimiento
Células Metabolito
primario
Sustrato para el
crecimiento
Células Metabolito
primario
Metabolito
secundario
Sustrato para el
crecimiento
Células Metabolito
primario
Metabolito
Secundario

16. Fermentaciones
• Para procesos
industriales, se usan
fermentadores de
hasta de 400.000 litros
de capacidad
• Los fermentadores son
construidos de acero
inoxidable y tienen una
camisa externa la cual
puede ser esterilizada
inicialmente y
enfriadada durante la
fermentación.

17. • El proceso puede
ser aeróbico o
anaeróbico.
• En general, mayor
dificultas en
procesos aeróbicos
que necesitan una
adecuada airreación
del tanque que
contiene altas
concentraciones de
biomasa

18. Producción de productos
de mamíferos por microorganismos
modificados por ingeniería genética
Desarrollo de un proceso biotecnológico:
• Si el gen o los genes que codifican para la
producción de una proteína de mamífero
se pueden clonar dentro de un
microorganismo
• Si se obtiene una buena expresión de este
gen

19. Productos biotecnológicos fabricados
por DNA recombinante
Proteínas de sangre para:
– Disolver coágulos
– Promover la coagulación sanguínea
– Desarrollar glóbulos rojos
Hormonas para:
– Tratamiento de diabetes
– Regulación del calcio
– Alivio del dolor
– Osteoporosis
– Diuréticos y antihipertensivos

20. Moduladores inmunes:
– Estimulantes de las células T
– Activador de células B
– Agentes antivirales, anticancerígenos,
antitumorales, antiinflamatorios
– Tratamiento de infecciones
• Vacunas:
– Prevención de infección
– Hepatitis B
– Sarampión
– Cólera
– Rabia
– Sida (no en el mercado, sólo en
experimentación)

21. • Antícuerpos monoclonales:
– Proteínas específicas que
reconocen y se fijan a un solo
antígeno
• Tratamiento de cáncer,
deshacerse de sustancias
químicas tóxicas de las células
tumorales
• Tratamiento de enfermedades
cardíacas: destruir coágulos de
sangre catalizados por plaquetas
• Diagnóstico clínico: embarazo y
enfermedades humanas y
animales
No todos los productos están en el mercado

22. El biofilm
• Se forma cuando en medio
acusoso las bacterias se
adhieren a las superficies
en ambientes acuosos y
empiezan a excretar un
limo:
• Una sustacia pegajosa que
puede sujetarse a toda
clase de material (metales,
plástico, partículas de
suelo, materiales de
implemento médicos y
tejidos.

23. • Un biofilm puede estar formado
por una sola especie de bacteria
• Más a menudo consiste de
muchas especies de bacterias,
hongos, algas, protozoos, de
residuos y productos de la
corrosión.

24. • Aunque pegados a
una superficie, los
microorganismos del
biofilm llevan a cabo
una variedad de
reacciones benéficas
o perjudiciales,
desde el punto de
vista humano

modifican las
condiciones
ambientales que lo
rodean.

25. • Esquematización de la formación del
biofilm P.Dirckx

26. Qué importancia tiene el
biofilm para la industria?
• Biofilm en una
membrana de
ósmosis inversa
Los biofilms
microbianos sobre las
superficies cuestan
billones de pesos al
año en equipo dañado,
productos
contaminantes,
pérdida de energía e
infecciones médicas.

27. • Los métodos convencionales para matar
bacterias (antibióticos y desinfección)
son a menudo inefectivos contra las
bacterias del biofilm.

28. Las enormes dosis de agentes
antimicrobianos requeridas para
liberar los sistemas del biofilm:
• Son ambientalmente indeseables ( y
quizás no permitidas por las
regulaciones ambientales)
• Médicamente impracticables (aunque
matan las bacterias del biofilm, también
matan el paciente).

29. • Así nuevas
estrategias basadas
en un mejor
conocimiento de
cómo las bacterias
se sujetan, crecen y
se desprenden son
una urgente
necesidad para
muchas industrias y
para la
bioremediación.

30. • Los procesos microbianos sobre
superficies también ofrecen
oportunidades por sus efectos
industriales y ambientales positivos:
–Bioremediación en sitios con
residuos peligrosos
–Biofiltración industrial del agua
–Biobarreras para proteger el suelo
y las aguas subterráneas de
contaminación.

31. • La ubicuidad y el
significado del
fenómeno biofilm es
confirmado por el
interés de industrias:
– Petróleo
– Especialidades
químicas
– Minas
– Agua para bebida
– Productos de limpieza
– Empresas de
servicios públicos

32. Se necesitan investigación interdisciplinaria y
educación para crear métodos de uso
industrial en desarrollo de productos y ayuda
a quienes la necesiten.

33. Areas de Investigación Fundamental
sobre biofilms:
• Entendimiento de porqué los microorganismos
del biofilm son más dificultosos de matar en
comparación con microorganismos suspendidos.
 Características moleculares y genéticas de los
microorganismos del biofilm.
 Estructura y función de un biofilm.
 Fenómenos de sujetamiento de los
microorganismos del biofilm.
 Métodos analíticos del biofilm.
• Modelación de la actividad del biofilm.

34. Ejemplo de necesidades de investigación en
relación al biofilm:
 Investigación y campos de aplicación de
tecnologías para el control de
microorganismos fermentadores en campos
petroleros.
 Investigación y evaluación de productos
potenciales para control del biofilm en
drenajes de fregaderos, inodoros, piscinas y
otros ambientes domésticos.
 Evaluación de coberturas anti-infectivas sobre
vendas para heridas, catéteres, válvulas
cardíacas y otras superficies relacionadas con
la práctica médica.

35.  Desarrollo de tecnologías de
biobarreras y bioremediación.
 Investigación sobre el impacto del
crecimiento renovado del biofilm
en los sistemas de distribución de
agua potable
 Desarrollo de tecnologías para el
control del biofilm asociado a la
corrosión

36.  Investigación del impacto y el control de
biofilm en membranas de tratamiento y
desalinización del agua.
 Evaluación de la penetración de biocidas
dentro del biofilm.
 Determinación del papel del biofilm en el
origen del "agua azul" en sistemas de
distribución de agua potable que usan
tuberías de cobre.
 Desarrollo de tecnologías bioeléctricas
para el control o incremento del biofilm en
aplicaciones médicas.

37. Biorremediación:
Aplicación industrial de la biotecnología
ambiental:
• Biodegradación: Microorganismos para la
degradación de sustancias químicas de
desecho tóxicas o indeseables,
xenobióticas no recalcitrantes
• Futuro: microorganismos modificados
genéticamente para degradar
recalcitrantes

38. Métodos de
tratamiento de
aguas
residuales
antes de su
eliminación o

39. Tratamientos
anaerobios
Se utilizan para:
•Estabilización de lodos
•Desperdicios sólidos en
vertederos
•Tratamiento de agua
industriales y domésticas con
alta DBO

40. Proceso:
• Requiere de interacciones sinérgicas
entre cuatro grupos microbianos:
– I. Bacterias hidrolíticas
– II. Bacterias fermentadoras
– III. Bacterias acetogénicas
– IV. Bacterias metanogénicas

41. Acetogénesis:bacterias acetogénicas
ACIDOS GRASOS DE CADENA LARGA
Propiónico, butírico .(volátiles); alcoholes, compuestos aromáticos (benzoato)
Metanogénicas:
Bacterias
metanogénicas
reductoras (autótrofos)
Hidólisis por exoenzimas de:
bacterias fermentativas, Protozoos,
levaduras y mohos
COMPUESTOS ORGÁNICOS SIMPLES
Azúcares, aminoácidos, péptidos
Acidogénesis por exoenzimas de:
bacterias fermentativas
H2, CO2
Ácido acético
(Acetato)
CO2 CO2
CH4
Metanogénicas:
Bacterias
metanogénicas
acetogénicas
COMPUESTOS ORGÁNICOS COMPLEJOS
Proteínas, carbohidratos y lípidos

42. Digestores anaerobios
Líquido
Líquido

43. CH4, CO2
Influente
Efluente
Filtro
Gas

44. Factores que controlan
digestión anaerobia
1. Temperatura
2. Tiempo de retención hidrolítica (TRH o HRT,
hydrolic retention time)
3. pH
4. Composición del desperdicio
5. Competencia con bacterias productoras de
sulfuro (respiradoras de azufre).
6. Tóxicos (oxígeno, amoníaco, solventes clorinados,
benceno, formaldehído, ácidos volátiles, etc.)

45. Ventajas:
1. No requiere oxígeno.
2. Menos energía invertida en el proceso.
3. Produce metano.
4. Produce de 3-20 veces menos lodos que
tratamiento aerobio (20-150 vs. 400-600 kg
biomasa/m3 DQO).
5. Eficiente a elevadas cargas de DBO.
6. Preservación de actividad aun cuando el
sistema no operare por largos períodos de
tiempo.
7. Remoción de hidrocarburos clorinados,
co-metabolismo, etc.

46. Desventajas:
1. Más lento que tratamiento aerobio
(requiere > tiempos de contacto o sea >
tiempos de retención hidráulica).
2. Más sensitivo a choques tóxicos.
3. Requiere mayor tiempo de aclimatación.

47. Procesos de tratamiento combinado en
pequeña escala tipo Jokaso
• Restaurantes y hoteles (50 personas)
• La calidad del efluente puede llegar a
tener 20 mg/l omenos de DBO.
Contact
anaerobic room

48. • Método del filtro anaerobio y contacto aerobio
• http://www.apec-vc.or.jp/co-op/s_pollution/index.htm

49. Pozo séptico
Línea de
drenaje
Trampa de
grasas
Pozo séptico
Conductos de
distribución
Campo de absorción

50. Trampa de grasas
Remueve entre:
• 80 - 70% de materiales hidrofóbicos
• 40 - 50% de grasa emulsionadas

51. Tratamientos Biológicos
Aerobios
Gran parte de la materia
orgánica disuelta se
mineraliza a CO2, H2O y
biomasa (sólidos que
pueden ser removidos)

52. Tratamiento de aguas residuales:
Trata. 1rio + Trata. 2rio = Remoción 80-90% DBO
Posterior a un tratamiento de sedimentación
primaria

los desperdicios que contienen materia orgánica
disuelta son transferidos a un tanque aireado
mecánicamente

Durante este proceso, las poblaciones
heterotróficas se desarrollan vigorosamente y
predominan en el tanque.

53. Tipos de tratamientos aerobios:
1. Crecimiento
suspendido
– Lagunas de
oxidación
(disperso)
– •Lodos activados
(agregados)
2. Biopelículas
– • Filtros de goteo (Zooglea
ramigera)
– • Biodiscos (Filtros RBC):
– (Sphaerotilus, Beggiatoa,
Nocardia, Oscillatoria,
Desulfovibrio)
– Filtros aerobios sumergidos
– Reactores de lecho
fluidizado

54. Tratamiento
aeróbico
secundario
de aguas
residuales:
Agua residual
Sedimentación
Cribado
Lodo insoluble
Digestión
anaeróbica
Lodo digerido:
Incineración
Lodo soluble
Oxidación
Desinfección
Efluente
tratado al río
Procesos
biológicos
 Lodos
activados
Filtros de
flujo lento
Procesos no
biológicos

55. Lodos activados:
• Método de tratamiento continuo
Efluente
Criba
Tanque de
aclimatación
Tanque de
aireación
Descarga
de agua
Exceso de lodo
Deshidratador
Tortas
Tanque de concentración
Clarificador

56. • Se forman flocs de microbios en los cuales la materia
orgánica es a la vez adsorbida y oxidada.
• Los flocs sedimentan en un tanque agujereado, y son
incorporados a un digestor de lodos anaerobios, donde el
material orgánico restante es es convertido en productos
gaseosos.
Tratamiento con
lodos activados

57. • Filtros de flujo
lento

58. Diversidad Microbiana de
los lodos activados:
• Protozoarios
ciliados (Vorticella)
• Hongos y
levaduras ( Menor
densidad)
Bacterias
 Escherichia coli
 Enterobacter
 Pseudomonas
 Achromobacter
 Flavobacterium
 Zooglea
 Desulfovibrio
 Sphaerotilus
 Filamentosas:
Beggiatoa, Nocardia,
Oscillatoria

59. Parámetros físico-químicos que
afectan los lodos activados:
 pH
 Temperatura
 Nutrientes
 Viscosidad
 Potencial redox
 Habitabilidad del ambiente
 Relación alimento/ microorganismos
 A/M: importante parámetro de diseño
 A/M:
 [DBO (kg/m3) x Flujo (m3/d)]
 [Sólidos Reactor (kg/m3) x Vol (m3)

60. • Remoción en diferentes tipos de
aireación:
Aireación extendida:
• (0.03 < A/M < 0.8): > 90% remoción DBO
Convencional:
• (0.8 < A/M < 2): 80-90% remoción DBO
Alta rata:
• (A/M > 2): <80% remoción DBO

61. Sedimentación secundaria
Tiempo medio de residencia celular
(MCRT :Mean Cell Residence Time)
Crecimiento
disperso:
• No ocurre
floculación
• La sedimentación
sería imposible.
Floculación
biológica:
• Proceso natural
que ocurre bajo
condiciones
físico/química
específicas.

62. El tiempo medio de
residencia de los
lodos es un
importante
determinante de la
floculación de la
biomasa por
gravedad

(separación de
microorganismos
del efluente
tratado).
• Usualmente el
tiempo de
residencia es de al
menos 3 días, pero
menor de 15 días
• Por fuera de este
rango disminuye la
capacidad de
compactación del
lodo.

63. Capacidad de
Clarificación:
• Un mayor
crecimiento
disperso influye en
la calidad del
efluente, pues
determina mayor
concentración de
sólidos
suspendidos y más
dificultad para la
clarificación.
Capacidad de
Compactación:
• Es la taza de
sedimentación de los
lodos concentrados
• Determina la efectividad
del clarificador
Grado de compactación =
[volumen ocupado por 1 g
de lodo después de 30
min]

64. • " BULKING" o
entumecimiento del
lodo:
• Formaçión de
espuma en los
decantadores de
lodos activados.
• Los flóculos
formados poseen
poca densidad y
suben a la superficie
en vez de
sedimentar.

65. Problemas en la sedimentación (Bulking )
1.  MCRT (tiempo de residencia)
2.  C:N & C:P
3.  Niveles de oxígeno disuelto
4. Biológico: sobrecrecimiento de bacterias
filamentosas como Sphaerotilus,
Beggiatoa, Thiotrix, Bacillus, hongos
filamentosos como Geotrichum,
Cephalosporium, Cladosporium &
Penicillum

66. Filtros de goteo
• Para efluentes con DBO baja y muy variable.

67. • Los filtros por goteo han sido adoptados por
la industria alimentaria y tintorera
• Efecto del tratamiento: se espera
entre un 75 - 80% de remoción de DNO
y 60 - 70% de DQO
• Los costos de equipamiento y
operación menos caros que los de
lodos activados
• Flujos bajos para concentrar materia
orgánica del efluente y permitir la
formación del biofilm sobre el lecho
filtrante.

68. Biodiscos
Rotating Biological Contactor (RBC)
Consultar:
• http://www.state.sd.us/denr/DES/P&S/designcriteria/design-10.html
• http://www.apec-vc.or.jp/co-op/s_pollution/docs/s3_9_1.htm

69. • Se espera que los biodiscos
remuevan entre el:
– 75 - 90 % de de DBO
– 60 - 70 % de DQO.
• Costos: El equipo es más caro que el de los
lodos activados. El costo de operación es
bajo, sólo el que se necesita para la rotación
de los discos
• Se necesita tiempo de aclimatación para
que se forme el biofilm grueso y anaerobico
• Malos olores debido al H2S y otros