Consorcio bacteriano, dispositivo bioelectroquímico y un proceso para la estimación simple y rápida de la demanda biológica de oxígeno del agua residual.

Un proceso para la estimación rápida de la DBO del agua residual de las bebidas utilizando un dispositivo bioelectroquímico en el cual el proceso comprende las siguientes etapas:

a) proporcionar un dispositivo bioelectroquímico que comprende

i) un electrodo microbiano inmovilizado;

ii) un multímetro; y

iii) una estación de trabajo portátil con un software instalado configurado para tomar el cambio en los valores de la corriente en tiempo real y para manipular los valores en las pantallas gráficas deseadas; en el cual los microbios forman un consorcio bacteriano que consiste en Aeromonas hydrophila (PTA-3751), Pseudomonas aeruginosa (PTA-3748), Yersinia enterocolitica (PTA-3752), Pseudomonas fluorescens (PTA-3749), Enterobacter cloaca (PT A-10 3882);

b) aplicar una polarización externa de -0,62 V a -0,67 V al electrodo microbiano inmovilizado del dispositivo bioelectroquímico;

c) estabilizar el conjunto de electrodo en tampón de fosfato 0,025 a 0,075 M a un pH de 6,4 a 7,2 durante 30 a 45 minutos, seguido de la adición de glucosa-ácido glutámico (GGA) en tampón de fosfato;

d) observar la estabilidad de la membrana microbiana inmovilizada a través de un software que utiliza un conjunto de electrodos estabilizado del dispositivo mediante la medición del cambio en la concentración de oxígeno en términos de corriente que cubre un intervalo de concentraciones de GGA utilizado, es decir, de 15 a 75 mg/l;

e) calibrar el cambio en la corriente para las diferentes concentraciones de GGA obtenidas de la etapa (d) con los valores de DBO convencionales;

f) reemplazar la solución de GGA por tampón de fosfato fresco y estabilizar el conjunto;

g) añadir el agua residual de las bebidas en tampón de fosfato 0,025 a 0,075 M a un pH de 6,4 a 7,2 para mantener el porcentaje determinado por el software;

h) observar el cambio en la concentración de oxígeno en términos de corriente con la ayuda del software;

i) calcular los valores de DBO utilizando un software con la ayuda de una curva de calibración poniendo el cambio en la corriente como se observa en la etapa (h)

Consorcio bacteriano, dispositivo bioelectroquímico y un proceso para la estimación simple y rápida de la demanda biológica de oxígeno del agua residual.

Campo de la invención

La presente invención divulga un consorcio bacteriano útil para la estimación rápida de la demanda biológica de oxígeno (DBO) del agua residual.

Además, la presente invención también divulga un dispositivo bioelectroquímico útil para la estimación rápida y reproducible de la demanda biológica de oxígeno (DBO) del agua residual.

Más específicamente, se refiere a un proceso para la estimación rápida de la demanda biológica de oxígeno (DBO) del agua residual utilizando agua residual.

Antecedentes y estado de la técnica anterior de la invención

La prueba de demanda biológica de oxígeno (DBO) es un índice ambiental crucial para determinar las necesidades de oxígeno relativas de las aguas residuales, los efluentes y el agua contaminada. Se refiere a la cantidad de oxígeno requerida por las bacterias y otros microorganismos en la degradación bioquímica y la transformación de la materia orgánica en condiciones aeróbicas. La prueba también se interpreta como una medición de la concentración de material orgánico que puede servir como sustrato para apoyar el crecimiento de los microorganismos.

La prueba de DBO, según se utiliza para evaluar la eficiencia del tratamiento de aguas residuales, pretende ser una medición de la demanda carbonosa de oxígeno así como de la demanda nitrogenada. Esto se conoce como DBO final. Debido a que en algunas aguas residuales suele haber amoníaco, se deben utilizar inhibidores de la nitrificación para eliminar el esfuerzo de la demanda nitrogenada de oxígeno. La demanda carbonosa de oxígeno se denomina DBO de la primera etapa y la demanda nitrogenada de oxígeno se denomina DBO de la segunda etapa. En las aguas residuales que no contienen la materia nitrogenada, el oxígeno consumido por los microorganismos heterótrofos es la DBO carbonosa.

Existen varios métodos para calcular el potencial de contaminación del agua. Se desarrolló la prueba de demanda química de oxígeno (DQO) debido a que una prueba de DBO5 necesita 5 días para completarse y, por lo tanto, no es adecuada para la evaluación en tiempo real de la eficiencia del tratamiento de aguas residuales ni para el control operacional de los procesos de tratamiento. Se desarrollaron el carbono orgánico total (COT) , el carbono orgánico disuelto (COD) , la absorción espectrofotométrica ultravioleta a 254 nm para el material orgánico disuelto y los sólidos suspendidos volátiles para el material orgánico particulado como métodos alternativos para medir la fuerza del agua residual en función de una suposición de que el objetivo principal del tratamiento biológico es reducir la concentración de material orgánico en el agua residual.

La prueba de DBO convencional presenta determinados beneficios, por ejemplo, es un método universal para medir la mayoría de las muestras de aguas residuales y, además, no se necesitan equipos costosos. Sin embargo, tiene la limitación de que demanda mucho tiempo y, por consiguiente, no es adecuada para la monitorización del proceso en línea. Por lo tanto, es necesario desarrollar un método de medición que pueda evitar la debilidad del método convencional. Los métodos rápidos, portátiles y rentables para la monitorización ambiental han estimulado el desarrollo de diversas herramientas analíticas de campo, por ejemplo, los biosensores. Los biosensores son dispositivos que transducen una respuesta bioquímica selectiva a una señal medible. Se han desarrollado varios métodos de biosensores para la medición de la DBO. El primer informe de biosensor de DBO fue publicado por Karube y colaboradores en 1977. Luego, se han desarrollado varios tipos de sensores microbianos de DBO y se han realizado diversas modificaciones. La mayoría de los sensores de DBO indicados anteriormente consisten en una membrana sintética con un único microorganismo inmovilizado o con una combinación aleatoria de microorganismos inmovilizados que sirve como biocatalizador. Un sensor de DBO rápido y confiable debe ser especialmente capaz de analizar una muestra de componentes complejos con selectividad relativamente baja, pero con sensibilidad alta. Por lo tanto, el sensor puede responder a todos los tipos de solutos orgánicos biodegradables en las muestras. También es importante que el sensor proporcione resultados comparables con los obtenidos utilizando el método de DBO convencional.

La mayoría de los sensores de DBO indicados anteriormente son sensores microbianos tipo biopelícula de células completas, que se basan en la medición de la frecuencia respiratoria bacteriana cercana a un transductor adecuado. Una característica común de estos sensores es que consisten en una película microbiana colocada entre una membrana celulosa porosa y una membrana permeable como el elemento de reconocimiento biológico. Esta película microbiana son poblaciones microbianas inmovilizadas que pueden biooxidar el sustrato orgánico que se va a centrifugar. Generalmente, la respuesta es un cambio en la concentración de oxígeno disuelto (OD) u otro fenómeno, por ejemplo, una emisión luminosa. Se utiliza un transductor físico para monitorizar este proceso. El resultado es un cambio en una señal óptica o eléctrica. La señal se amplifica y se correlaciona con el contenido del material biodegradable medido.

Los documentos 6.511.822 y 6.531.293 de Estados Unidos divulgan un consorcio microbiano inmovilizado que comprende una mezcla sinérgica de bacterias aisladas a saber, Aeromonas hydrophila, Pseudomonas aeruginosa, Yersinia enterocolitica, Serratia liquefaciens, Pseudomonas fluorescens, Enterobacter cloaca, Klebsiella oxytoca, Citrobacter amalonaticus y Enterobacter sakazaki. Se inmoviliza el consorcio microbiano formulado sobre una membrana de nylon cargada. Este consorcio microbiano inmovilizado se une a una sonda de oxígeno disuelta para la preparación de un conjunto de electrodo. Se utiliza el conjunto de electrodo preparado para la estimación rápida y confiable de la DBO.

Un sensor tipo biopelícula de BOD consiste en una sonda OD que incluye la membrana permeable al oxígeno, con otra membrana que contiene bacterias (la biopelícula) entre la membrana y la muestra. El material orgánico se difunde en la biopelícula donde las bacterias actúan sobre este, lo que provoca una caída de los niveles de oxígeno

que es medida por la sonda. Se calibra la sonda estableciendo un nivel de referencia (“puesta a cero”) con una

solución que no contiene material orgánico, seguido de la medición de la respuesta estable en una solución de DBO conocida, normalmente 150 mg de glucosa más 150 mg de ácido glutámico en 1 litro de agua destilada tomada como DBO de aproximadamente 200 mg l-1. La respuesta de las muestras desconocidas se proporciona a la referencia para obtener el resultado de DBO. El tiempo indicado para alcanzar una lectura estable oscila entre menos de 10 minutos y 30 minutos.

Se ha incorporado una técnica relacionada que utiliza la biología de lecho fluidizado (en lugar de la biopelícula) con sondas OD a un instrumento disponible en el mercado.

Otro método utiliza una biopelícula como en el método anterior pero, en lugar de esperar una lectura estable, mide la frecuencia del cambio del oxígeno absorbido por las bacterias, y se obtienen resultados en aproximadamente 1 minuto.

Los métodos son similares a la prueba de DBO que utiliza la actividad bacteriana para sus mediciones y, por consiguiente, responde fuertemente al material fácilmente biodegradable. Muchos investigadores utilizan un monocultivo; en qué medida este aproxima una respuesta a un cultivo mixto dependerá principalmente de la muestra. Algunos investigadores han tenido dificultades en la obtención de resultados reproducibles de los sensores que utilizan microorganismos mixtos del lodo activado.

Además de los efectos de la dilución en la DBO, los sensores de tipo biopelícula no pueden incluir la degradación de la materia orgánica particulada en cualquier medida significativa ya que las bacterias están inmovilizadas dentro del sistema del sensor. Sin embargo, se ha demostrado que las biopelículas se pueden aclimatar a diferentes sustratos (agua residual y componentes puros) para dar mejores respuestas.

Las técnicas de biopelículas permiten el control rápido del proceso,... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para la estimación rápida de la DBO del agua residual de las bebidas utilizando un dispositivo bioelectroquímico en el cual el proceso comprende las siguientes etapas:

a) proporcionar un dispositivo bioelectroquímico que comprende

i) un electrodo microbiano inmovilizado;

ii) un multímetro; y

iii) una estación de trabajo portátil con un software instalado configurado para tomar el cambio en los valores de la corriente en tiempo real y para manipular los valores en las pantallas gráficas deseadas; en el cual los microbios forman un consorcio bacteriano que consiste en Aeromonas hydrophila (PTA—3751) , Pseudomonas aeruginosa (PTA-3748) , Yersinia enterocolitica (PTA-3752) , Pseudomonas fluorescens (PTA-3749) , Enterobacter cloaca (PT A3882) ;

b) aplicar una polarización externa de -0, 62 V a -0, 67 V al electrodo microbiano inmovilizado del dispositivo bioelectroquímico;

c) estabilizar el conjunto de electrodo en tampón de fosfato 0, 025 a 0, 075 M a un pH de 6, 4 a 7, 2 durante 30 a 45 minutos, seguido de la adición de glucosa-ácido glutámico (GGA) en tampón de fosfato;

d) observar la estabilidad de la membrana microbiana inmovilizada a través de un software que utiliza un conjunto de electrodos estabilizado del dispositivo mediante la medición del cambio en la concentración de oxígeno en términos de corriente que cubre un intervalo de concentraciones de GGA utilizado, es decir, de 15 a 75 mg/l;

e) calibrar el cambio en la corriente para las diferentes concentraciones de GGA obtenidas de la etapa (d) con los valores de DBO convencionales;

f) reemplazar la solución de GGA por tampón de fosfato fresco y estabilizar el conjunto;

g) añadir el agua residual de las bebidas en tampón de fosfato 0, 025 a 0, 075 M a un pH de 6, 4 a 7, 2 para mantener el porcentaje determinado por el software;

h) observar el cambio en la concentración de oxígeno en términos de corriente con la ayuda del software;

i) calcular los valores de DBO utilizando un software con la ayuda de una curva de calibración poniendo el cambio en la corriente como se observa en la etapa (h)

2. Un proceso según se reivindica en la reivindicación 1 en el cual se recolecta el agua residual de cualquier industria de bebidas.

3. Un proceso según se reivindica en la reivindicación 1 en el cual el electrodo microbiano inmovilizado comprende una membrana microbiana inmovilizada colocada entre una membrana penetrada por oxígeno y una membrana porosa, fijadas directamente al cátodo de platino de una sonda de oxígeno.

4. Un proceso según se reivindica en la reivindicación 1 en el cual el dispositivo es capaz de calcular la carga de la DBO del agua residual que oscila entre 300 y 2250 mg/l de DBO en diversos períodos.

Fig. 1 (gráfica 1) : Curva de calibración que presenta la correlación de un dispositivo bioelectroquímico con la DBO5 convencional.