BIOREACTOARE

Prof.dr.ing. NISTOR Ileana Denisa

ioreactoare pentru fermentatii anaerobeBioreactoare anaerobe convenionale Bioreactoare anaerobe cu biomasa n suspensie Bioreactoare anaerobe cu biomasa imobilizat Bioreactoare anaerobe cu strat de umplutur Bioreactoare anaerobe cu particule suport Bioreactoare anaerobe cu strat fluidizat

Deoarece o serie de procese fermentative sunt catalizate de microorganisme anaerobe sau strict anaerobe, bioreactoarele n care sunt conduse aceste trebuie s fie proiectate i construite astfel nct s asigure condiii de anaeroboiza. Principalele tipuri de bioreactoare anaerobe (Characklis and Marshall, 1990) sunt: bioreactoare anaerobe utilizate n procesele fermentative convenionale de obtinere a buturilor alcoolice (bere, vin etc); bioreactoare anaerobe cu biomasa n suspensie (cu amestecare); bioreactoare cu biomasa imobilizat pe un suport inert care poate fi: - strat de umplutur; - particule suport antrenate n mediul lichid; bioreactoare cu strat fluidizat

3.1. Bioreactoare anaerobe convenionaleFermentatoarele utilizate pentru obinerea vinului, alcoolului sau a altor buturi alcoolice sunt exemple tipice de bioreactoare anaerobe (fig. 3.1). Acestea sunt considerate convenionale datorit utilizrii din timpuri strvechi, a rspndirii i a simplitii constructive.Fig. 3.1. Exemple de bioreactoare anaerobe convenionale (dup Ward, 1991): a- butoi de lemn; b budan din lemn; c - cad de lemn; d bazin de ciment; e - rezervor (tanc de fermentare) cilindric orizontal cu capace elipsoidale; f,g- rezervor (tanc) cilindroconic din oel inoxidabil; h - rezervor fermentator turn; m rezervor sfero-conie.

Butoaiele, budanele i czile din lemn (fig. 3.1 a, b, c) utilizate tradiional n vmificaie i la fabricarea berii au fost nlocuite n mare parte cu cisterne din beton (fig. 3.1 d) sau rezervoare (tancuri) cilindrice (fig. 3.1 e) sau cilindroconice din oel inoxidabil (fig. 3.1/, g). Fermentatourele turn (fig. 3.1 h) cu un raport inaltime : diametru de (1-12) : 1 sunt folosite pentru fermentatia alcoolica utilizand drept catalizatori drojdii floculante care se multiplied masiv. Rezervoarele (tancurile) sfero-conice (fig. 3.1 i) trebuie sa fie de mare capacitate ipeste 300 m ) pentru a fi economice la utilizare pentru fermentatie alcoolica. In aceste bioreactoare, biomasa nu este uniform distribuita in tot volumul de mediu fermentativ. Mentinerea celulelor in suspensie se datoreaza, pe de o parte, densitatii mai mici a celulelor vii in comparatie cu densitatea mediului, pe de alta parte antrenarii celulelor in suspensie de catre bulele de gaz rezultate din fermentatie.

3.2. Bioreactoare anaerobe cu biomasa in suspensie

In acest caz, biomasa este mentinuta in suspensie prin prezenta si actiunea unor dispozitive de amestecare / agitare. Un exemplu tipic de bioreactor anaerob cu biomasa in suspensie este fermentutorul (digestorul) utilizat pentru producerea de biogaz din reziduuri solide / namol activ sau ape reziduale cu concentrate mare de poluanti (fig. 3.2).

Fermentatorul anaerob este un reactor biologic anaerob In care biomasa este mentinuta in suspensie intr-un mediu concentrat, in lipsa oxigenului sj a luminii. El reproduce industrial fenomenul de biometanogeneza care se produce natural in namoluri si mlastini (producerea gazului metan). Pentru o perioada Indelungata a fost singurul procedcu de tratare a namolurilor primare si secundare sau a lichidelor reziduale concentrate (Tebbutt, 1990). Acest fermentator este folosit indeosebi pentru tratamentul namolului activ rezullat din procesele oxidative de epurare (Fernandes et al., 1993; Borja et al., 1995; Ndon, 1997).

Acest fermentator este folosit indeosebi pentru tratamentul namolului activ rezullat din procesele oxidative de epurare (Fernandes et al., 1993; Borja et al., 1995; Ndon, 1997). In acest bioreactor strict anaerob, durata de stationare a namolului in aparat este egala cu cea a apei reziduale. Aparatul are putine aplicatii in cazul tratamentului apelor reziduale cu continul redus sau mediu de substante organice datorita volumului necesar pentru a obtine o durata de stationare a namolului de 15-30 zile, indispensabila realizarii procesului de epurare biologica anaeroba a acestor ape reziduale. Aceasta durata mare de stationare a namolului conduce la proiectarea unui bioreactor cu un volum foarte mare, nepotrivit pentru procesele de epurare a multor ape reziduale industriale. Produsul final rezultat din fermentatia anaeroba se numes,te biogaz si are ca principal component metanul.

Fig. 3.2. Bioreactor anaerob cu agitator (digesior / fermentator anaerob): a - cu funduri elipsoidule; b - eu funduri conice: / - corp bioreactor; 2 - dispozitiv de agitare / amestecare; 3 - alimentare cu ap reziduala (sau nmol activ); 4, 4' - funduri clipsoidale; 5 - evauare ap rezidual tratat; 6 - evacuare produse de fermentaie anaerob (biogaz); 7, 7' - funduri conice.

In medie se produc 0,3-0.5 m biogaz pentru un kilogram de materie organic descompus msurat ca CCO*, dei producia de biogaz depinde mult de natura apei reziduale i de modul de conducere a procesului. Pe lng avantajul producerii de energie, tratamentul anaerob se caracterizeaz i prntr-o cretere bacterian sczut, deci o producie de nmol relativ sczut (Sixt, 1982; Sixt and Sahm, 1987; Dinsdale. 1996).

Degradarea anaerob este asigurat de o microbiot complex caracterizat de urmtoarele particulariti: - metabolism anaerob, n care se elibereaz puin energie, deci se nregistreaz o acumulare redus de biomas; conversia aproape n ntregime a carbonului organic din substrat n gaz (dioxid de carbon i metan) ceea ce permite o epurare puternic; - evoluie sensibil accelerat prin efectul cldurii astfel nct microorganismele mezofile (33...35C) i termofile (55C) prezint ntotdeauna interes (Takayuki, 1994;Tentscher. 1995).* CCO - consum chimic de oxigen (COD - chemical oxygen demand), n mg/L, indicator ce reprezint cantitatea de oxigen dizolvat necesar pentru oxidarea chimic a materiei organice dinlr-un mediu acvatic.

In tratamentul biologic anaerob se disting urmtoarele etape: etapa de hidroliza a compuilor organici macromoleculari pn la compui simpli; etapa de conversie a compuilor simpli cu obinere de acizi alifatici (acid acetic. propionic i acizi grai); etapa acetogen , n care acidul propionic i ali acizi cu lan mai lung sunt transformai de ctre bacteriile acetogene productoare de hidrogen; etapa metanogen n care intervin bacteriile metanogene pentru a produce metan fie prin decarboxilarea acetatului, fie prin reducerea dioxidului de carbon .

Intruct exist i posibilitatea producerii de acetat plecnd de la hidrogen i dioxid de carbon, etapa limitativ a acestei serii de procese este tic hidroliza, fie metanogeneza, n funcie de circumstane. Microorganismele acetogene i metanogene sunt n competiie pentru substrat (Cecchi el al., 1987; Florencio, 1994; Florencio et al.. 1995; Harada, 1996). Este important, ns, s se admit c factorul critic n realizarea unui tratament eficient al apelor reziduale pe cale anaerob este reprezentat de microbiota metanogen.

Microorganismele acetogene sunt facultativ anaerobe fiind astfel singurele care pot aciona ntr-un fermentator nenchis, supravieuind n aerobioz. Bioreactorul nu trebuie s permit nici ptrunderea luminii solare, ntruct oricnd s-ar putea dezvolta alge care, fiind autotrofe, produc oxigen atunci cnd primesc energie luminoas.

Cercettorii au experimentat folosirea bioreactorului anaerob convenional pentru tratamentul apelor reziduale diluate i puternic poluate de la fabricile de bere. S-a constatat c, n cazul unei durate de staionare a nmolului de 9-11 zile, CCO a fost redus n proporie de 85-90 % n ambele situaii, dar producia de metan n cazul apelor reziduale puternic poluate a fost suficient pentru meninerea temperaturii necesare pentru realizarea procesului anaerob. Astfel c, tratamentul anaerob al apelor reziduale diluate este neeconomic, necesitnd un aport suplimentar de energie pentru realizare. Cu toate acestea, puterea calorific a metanului produs nu reprezint dect un sfert din cea a metanului obinut prin fermentarea anaerob a deeurilor animale.

Pentru meninerea unei concentraii de biomas constant n bioreactorul anaerob se obinuiete cuplarea acestuia cu un decantor n care are loc separarea nmolului din apa tratat i recircularea acestuia n bioreactor (fg. 3.3). Prezena decantorului permite ca durata de staionare a biomasei n fermentator s fie mare, astfel nct se obine un randament bun. De asemenea, durata de staionare a apei reziduale este redus, ceea ce determin un volum mic al bioreactorului.

Fig. 3.3. Bioreactor anaerob cu sistem de decantare i recircularea nmolului: 1 - alimentare cu ap rezidual; 2 ~ bioreactor anaerob; 3 - agitator; 4 - evacuare biogaz; 5 evacuare efluent cu nmol spre decantor; 6 - decarilor; 7 evacuare ap tratat: 8 - nmol sedimentat; 9 - recirculare nmol; 10 - pomp de recirculare.

Principala problem ntlnit n aplicaiile practice la folosirea acestei instalaii const n separarea biomasei de apa tratat pentru a o putea recircula n fermentator. Deoarece exist tendina de a se continua formarea gazului i n decantor, bulele de gaz formate menin biomasa n suspensie i mpiedic o sedimentare eficient. Separarea a fost mbuntit prin diverse metode cum sunt: introducerea unor plci nclinate n decantor, degazarea sub depresiune a amestecului format din ap tratat i nmol, combinarea sedimentrii cu flocularea, supunerea biomasei la ocuri termice nainte de sedimentare i degazarea folosind o coloan cu aer. In ultimul caz trebuie s se aleag un raport de aerare corespunztor, astfel nct bacteriile metanogene s fie doar inactivate, nu i distruse.

Durata de staionare a apei reziduale ntr-o instalaie de tratare anaerob poate fi redus la mai puin de o zi, meninnd durata de staionare a biomasei la valori de peste 30 zile, dac se supun tratamentului ape reziduale cu concentraia de 0,15-0,25 kg/zi CBO1. n acest caz, producia de metan obinut poate fi de 0,58 m3/kg CBO (Vriens et aL 1990). 1 CBO - consuni biologic de oxigen (BOD - biologicul oxygen demand), n mg/L, indicator ce reprezint cantitatea de oxigen dizolvat necesar pentru oxidarea biologic a materiei organice dinir-un mediu acvatic.

Bibliografie minimala selectiva1. Turtoi, M., Bioreactoare: notiuni fundamentale, Editura Academica, Galati, 2006. 2. Jinescu, Ghe., Nistor, D.I., Bioreactoare - Note de curs, Editura Alma Mater, Bacau, 2007. 3. Characklis, W.G. and Marshall, K.C. (1990). Biofilms. John Willey & Sons Inc.. New York, US. 4. Hem, L.J., Rusten, B. and Odegaard, H. (1994). Nitrificaiion in a Moving Bed Biofilm Reactor. Water Research, 28 (6), 1425-1433, Eisevier Science Ltd., UK. 5. Queener, S.W. and Swartz, R.W. (1979). PeniciUins: biosynthetic and semisynihetc. Economic Mkrobialogy, Voi. 3. Ed. Rose, A.H., 35-123. London, Academic Press, Great Brilain. 6. van't Riet, K. and Tramper, J. (1991). Basic Bioreactor Design. Marcel Dekker, Inc., New York, US. 7. Ward, O.P. (1991). Bioprocessing. Open University Press, Buckingham, Great Brilain. 8. Williams, J.A. (2002). Keys to Bioreactor Selections. CEP Magazine, 3, 3441, www.cepmagazinc.org.