Procedimiento de eliminación de contaminantes orgánicos hidrofóbicos de suelos contaminados usando un aceite vegetal.

Procedimiento de eliminación de contaminantes orgánicos hidrofóbicos de suelos contaminados usando un aceite vegetal.

El suelo contaminado se excava y somete a un pretratamiento para homogeneizar el tamaño de partícula antes de llevar a cabo la extracción de los contaminantes por un aceite vegetal. Tras la etapa de extracción, el suelo y el aceite vegetal se separan por centrifugación y el aceite, con alta concentración de contaminantes orgánicos hidrofóbicos se introduce en un reactor enzimático bifásico, en el cual se añade una fase acuosa que contiene la enzima, del tipo oxidasa o peroxidasa y los cofactores necesarios para completar el ciclo catalítico de la enzima utilizada. En este reactor bifásico se produce la eliminación de los contaminantes presentes en el aceite mediante oxidación enzimática. Al terminar el tratamiento se lleva a cabo la separación de la fase acuosa y del aceite vegetal. El aceite vegetal libre de los contaminantes orgánicos hidrofóbicos se emplea para llevar a cabo una nueva extracción de suelo contaminado. La fase acuosa se retorna al reactor para ser reutilizada en un proceso de oxidación enzimática para regenerar un nuevo lote de aceite vegetal contaminado. El suelo tratado se devuelve a su emplazamiento original de acuerdo con las mejores técnicas disponibles.

Procedimiento de eliminación de contaminantes orgánicos hidrofóbicos de suelos contaminados usando un aceite vegetal.

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se refiere a un procedimiento de eliminación de contaminantes orgánicos hidrofóbicos tales como Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (HAPs) y pesticidas presentes en suelos contaminados mediante la extracción con un aceite vegetal y la posterior descontaminación del aceite en un reactor enzimático bifásico, de tal forma que pueda ser reutilizado como agente extractante.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Los compuestos orgánicos hidrofóbicos son aquellos que tienen una baja solubilidad en agua y gran afinidad por la materia orgánica presentando por tanto una elevada tendencia a adsorberse en suelos y sedimentos. Esto hace que no estén biodisponibles para ser biodegradados por microorganismos potencialmente capaces de hacerlo, mostrando una elevada persistencia en el ambiente. Muchos de estos son tóxicos y cancerígenos, y constituyen una amenaza para el medio ambiente y la salud humana. Se pueden destacar contaminantes del tipo de los Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (HAPs) (por ejemplo naftaleno, antraceno, pireno, benzopireno, etc) o compuestos orgánicos halogenados, como plaguicidas (por ejemplo lindano, pentaclorofenol, dicloro difenil tricloroetano, etc) . En relación con la contaminación de suelos, se han descrito diferentes procedimientos basados en tratamientos físicoquímicos, térmicos o biológicos que tienen como objetivo final la recuperación o remediación de dichos suelos.

La extracción con disolventes orgánicos es una técnica de descontaminación ex-situ de tipo físico-químico y se ha propuesto como un método efectivo para la eliminación de compuestos hidrofóbicos en suelos. Sin embargo, el empleo de disolventes convencionales tales como alcanos, alcoholes, cetonas o alquilaminas conlleva riesgos de seguridad importantes así como la necesidad de implementar medidas costosas con la finalidad de reducir los posibles impactos ambientales asociados. El empleo de disoluciones acuosas con tensioactivos y ciclodextrinas también se ha propuesto como método de extracción de suelos contaminados con compuestos orgánicos hidrofóbicos. Sin embargo, estos han demostrado eficiencias de eliminación variables, como consecuencia de la adsorción de estos compuestos a la matriz del suelo lo que promueve su inmovilización en dicha matriz. Además, tras la etapa de extracción, la recuperación de dichas disoluciones es complicada y a menudo se recurre a su gestión como residuo (Yap C.L. et al., 2010; J Hazard Mater 177:28-41) .

De forma alternativa, se ha planteado el uso de aceites vegetales para llevar a cabo la extracción de suelos contaminados con HAPs (Pannu J.K. et al., 2004; Process Biochem 39:1211-1216; Chi F-H. et al., 2010; Sustain Environ Res 20:275-280; Gong Z. et al., 2005; Chemosphere 58:291-298) . La eficiencia de extracción es comparable a la de los disolventes convencionales (>90%) y superior a la de las ciclodextrinas. Las principales ventajas que presenta el uso de aceites vegetales radican en su bajo coste, fácil manejabilidad, nula toxicidad y alta biodegradabilidad y capacidad de extracción. Al ser inmiscibles en agua, su separación es más sencilla cuando se aplican en sistemas aceite/agua/suelo. Sin embargo, dado el elevado volumen de aceite utilizado, es necesario plantear un tratamiento posterior del aceite de cara a su regeneración y reutilización.

Como posibles métodos para descontaminar el aceite tras el proceso de extracción se puede citar el empleo de carbón activo como adsorbente para eliminar los contaminantes (Gong Z. et al., 2007; J Hazard Mater 143:372-378) . Sin embargo, esta estrategia implica la transferencia de los contaminantes entre fases, pero no su destrucción. Por tanto sería necesario un tratamiento adicional para regenerar el carbón activo. Berg y Mattiason (Berg Schuur J.H. y Mattiasson B., 2003; Environ Technol 24 755–765) emplearon con éxito columnas de poliestireno para la separación física de los HAPs presentes en un aceite de colza pero, de nuevo, la posterior regeneración de las columnas y el coste del poliestireno fueron aspectos negativos a tener en cuenta. Los métodos de destrucción de contaminantes hidrofóbicos basados en ozonización u oxidación catalítica sólo resultaron eficaces en el caso de un aceite vegetal con concentración de contaminantes inferiores a 10 mg/L (Gong Z. et al., 2007; J Hazard Mater 143:372-378) . Considerando el tratamiento biológico como alternativa, en el proceso denominado “Fluid Extraction-Biological Degradation Process (FEBD) ” desarrollado por el Institute of Gas Technology se propone un tratamiento biológico en reactor como etapa final para eliminar los contaminantes orgánicos de una mezcla monofásica metanol-agua.

Por otra parte, para el tratamiento biológico de contaminantes presentes en una fase orgánica inmiscible en agua en determinados casos se ha planteado la configuración de un reactor bifásico. Los sistemas bifásicos se basan en el empleo de dos fases inmiscibles: la orgánica, en la que se encuentra el

contaminante en altas concentraciones; y la acuosa, que contiene el biocatalizador de la reacción. El contaminante se transfiere desde el disolvente hasta la fase acuosa en concentraciones determinadas por el coeficiente de reparto. A medida que se va produciendo la degradación del contaminante en la fase acuosa, éste se va transfiriendo desde la fase orgánica para restablecer el equilibrio termodinámico (Daugulis A.J. 1997; Curr Opin Biotechnol 8: 169-174) hasta que el disolvente queda libre del compuesto. Además, al final del proceso, este se puede separar de la fase acuosa, reutilizar para disolver una nueva carga de compuesto hidrofóbico y devolver al reactor. Guieysse et al. (Guieysse B. et al., 2001; Appl Microbiol Biotechnol 56: 796-802) demostraron el potencial de un reactor bifásico para la degradación de fenantreno y pireno por un cultivo mixto de Pseudomonas sp. y Sphingomonas sp. usando aceite de silicona como fase orgánica; Pudge et al. (Pudge I.B. et al., 2003; J. Biotechnol 100:65-75) emplearon un reactor bifásico para degradar el explosivo RDX disuelto en 2-undecanona por Enterobacter cloacae ATCC 43560; Janikowski et al. (Janikowski T.B. et al., 2002; Appl Microbiol Biotechnol 59: 368-376) consiguieron degradar antraceno y otros HAPs en un reactor bifásico con Sphingomonas aromaticivorans y dodecano como fase orgánica.

La selección del biocatalizador en estos sistemas debe tener en cuenta el carácter recalcitrante de los contaminantes a eliminar. Los hongos ligninolíticos han sido ampliamente estudiados para la eliminación de compuestos xenobióticos debido a su alto potencial oxidativo. La capacidad de degradación de un compuesto tan complejo como la lignina ha hecho considerar estos hongos como una posible alternativa para la eliminación de otros muchos compuestos de baja biodegradabilidad (Lema J.M. et al., 2002; J. Biotechnol 99 (3) : 249-257) . Esta capacidad está asociada a la producción y secreción de un complejo enzimático extracelular de carácter no específico durante su metabolismo secundario. Las enzimas extracelulares secretadas por los hongos se clasifican fundamentalmente en dos tipos: oxidasas como lacasa (Lac) y peroxidasas como manganeso peroxidasa (MnP) , lignino peroxidasa (LiP) y peroxidasa versátil (VP) . La operación en sistemas “in vitro” frente al cultivo “in vivo” de microorganismos presenta numerosas ventajas:

i) se pueden mantener altas concentraciones de contaminantes en reactores enzimáticos con mínimos problemas de inhibición; ii) los períodos de operación son más cortos iii) la composición del medio es más simple que en cultivos microbianos; iv) el control del proceso es más sencillo; v) no se producen lodos; y vi) es posible trabajar en condiciones de no esterilidad.

Las peroxidasas son hemo-proteínas que requieren la presencia de peróxido de hidrógeno como aceptor de electrones para llevar a cabo la oxidación de los sustratos. Presentan potenciales de oxidación de hasta 1, 51 V.

La lignino peroxidasa (LiP, EC 1.11.1.13) es capaz de oxidar tanto sustratos fenólicos como sustratos aromáticos no fenólicos siendo el alcohol veratrílico uno de los sustratos más comunes de Ia enzima. La manganeso peroxidasa (MnP, EC 1.11.1.14) requiere del Mn2+ para cerrar su ciclo catalítico oxidándolo a Mn3+ (E0 1, 54 V) el que actúa como agente difusible oxidando tanto las unidades fenólicas, como las no fenólicas a través de reacciones de peroxidación de lípidos. Con el fin de incrementar la estabilidad de los iones Mn3+ en la fase acuosa se adicionan ácidos orgánicos...

1. Un procedimiento de eliminación de contaminantes orgánicos hidrofóbicos de suelos contaminados que comprende las etapas:

I. excavación y preparación del suelo contaminado;

II. extracción del suelo usando un aceite vegetal;

III. separación del suelo y del aceite vegetal;

IV. regeneración del aceite vegetal contaminado mediante oxidación enzimática de los

contaminantes en un reactor enzimático bifásico; y

V. separación del aceite vegetal libre de contaminantes y de la fase acuosa.

2. El procedimiento, según la reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa I el suelo contaminado con contaminantes orgánicos hidrofóbicos, se excava y se prepara sometiéndolo a un pretratamiento basado en molienda y tamizado para uniformizar el tamaño de partícula.

3. El procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el suelo preparado se traslada a un tanque con agitación donde se lleva a cabo un proceso de extracción utilizando un aceite vegetal en una proporción comprendida entre 0, 5:1 y 4:1 (L aceite:kg suelo) .

4. El procedimiento según la reivindicación 3, donde la proporción entre el aceite vegetal y el suelo es de 1:1.

5. El procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque, en la etapa III el suelo y el aceite vegetal se separan por centrifugación.

6. El procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque en la etapa IV el aceite vegetal separado del suelo y con alta concentración de contaminantes hidrofóbicos se introduce en un reactor enzimático bifásico, en el cual se añade una fase acuosa que contiene una enzima del tipo oxidasa o peroxidasa.

7. El procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la enzima de tipo oxidasa es una lacasa.

8. El procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, caracterizado porque las dos fases de fase acuosa y aceite vegetal se mantienen agitadas a una velocidad comprendida entre 100 y 500 rpm para formar una emulsión.

9. El procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque el volumen de aceite vegetal en el reactor enzimático bifásico constituye entre u.

5. 50% del volumen total de la emulsión.

10. El procedimiento según la reivindicación 9, donde el volumen de aceite vegetal en el reactor enzimático bifásico constituye un 10% del volumen total de la emulsión.

11. El procedimiento, según la cualquiera de las reivindicaciones 6, 8, 9 ó 10, caracterizado por la utilización de una enzima peroxidasa con actividad comprendida entr.

5. 1000 U/L en la fase acuosa.

12. El procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado por la utilización de lacasa, con actividad comprendida entr.

10. 2000 U/L en la fase acuosa.

13. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 12, caracterizado por la operación del reactor bifásico a temperatura en el rango 15-40ºC, y pH comprendido entre 3-7.

14. El procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado por la operación del reactor bifásico a temperatura de 30ºC.

15. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 13 ó 14, caracterizado por la operación del reactor bifásico a pH 5 cuando se emplea una oxidasa de tipo lacasa y a pH 4, 5 cuando se emplea una peroxidasa.

16. El procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 15, caracterizado por la medida periódica de la actividad enzimática en la fase acuosa y de la concentración de contaminantes presentes en la fase acuosa y en el aceite vegetal.

17. El procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 16, caracterizado por la adición en la fase acuosa de un compuesto tensioactivo en concentración superior a su concentración micelar crítica.

18. El procedimiento, según la reivindicación 17, caracterizado porque el compuesto tensioactivo que se añade en la fase acuosa es Triton X-100, en proporción 1% v:v respecto al volumen de la fase acuosa.

19. El procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 18, caracterizado por la adición de enzima fresca al reactor mediante pulsos cuando la actividad enzimática sea inferior a 100 U/L cuando se usa una oxidasa de tipo lacasa; o cuando sea inferior a 50 U/L cuando se usa una peroxidasa.

20. El procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 19, caracterizado por la medición del oxígeno en la emulsión mediante un sensor de oxígeno disuelto y por la aireación u oxigenación mediante pulsos a través de un difusor cuando la concentración del oxígeno disuelto descienda de 1 mg/L, cuando se emplee la enzima lacasa.

21. El procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 20, caracterizado por la adición en la fase acuosa de un compuesto mediador de la lacasa seleccionado del grupo que comprende: 1hidroxibenzotriazol (HBT) , ácido 2.

2. azino-bis (3-etilbenzo-tiazolina-6-sulfónico) (ABTS) , ácido p-cumárico y ácido hidroxibenzoico, con concentración entre 0.1-5 mM.

22. El procedimiento según la reivindicación 21, donde el compuesto mediador de la lacasa es 1hidroxibenzotriazol (HBT) con concentración 1 mM, y éste es añadido mediante pulsos periódicos cada 812 h.

23. El procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 19, caracterizado por la adición en continuo de peróxido de hidrógeno al reactor bifásico con velocidad comprendida entre 5-100 μmol/LR.min cuando se usa una enzima peroxidasa.

24. El procedimiento, según la reivindicación 23, caracterizado por la adición al reactor bifásico de:

• un ácido orgánico dicarboxílico en concentración 1-100 mM, y

• uno o varios cofactores necesarios para completar el ciclo de la peroxidasa, seleccionados de entre: alcohol veratrílico en concentración 10-10.000 !M cuando la peroxidasa es una lignino peroxidasa y, y Mn+2 en concentración 10-1.000 !M cuando la peroxidasa es una manganeso peroxidasa o una peroxidasa versátil.

25. El procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24, caracterizado porque en la etapa V se realiza la separación mediante decantación o centrifugación de las dos fases presentes en el reactor enzimático bifásico, fase acuosa y aceite vegetal, cuando la concentración medida de contaminantes en el aceite vegetal es inferior al 5% de la concentración inicial en dicho aceite.

26. Procedimiento según la reivindicación 25, caracterizado porque tras la separación del aceite vegetal de la fase acuosa, el aceite vegetal es reutilizado para llevar a cabo un nuevo procedimiento de eliminación de contaminantes orgánicos hidrofóbicos de suelos contaminados según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 25, y la fase acuosa es devuelta al reactor enzimático bifásico para ser reutilizada en un nuevo procedimiento de oxidación enzimática según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 25.

27. El procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, caracterizado porque el contaminante orgánico hidrofóbico presente en el suelo es uno o varios Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (HAPs) .

Aceite vegetal limpio Aceite vegetal regenerado FIGURA 2 FIGURA 3

FIGURA 4

8 1624324048 Tiempo (h)

FIGURA 5

0 8 16 24 32 40 48 0 8 16 24 32 40 48

Tiempo (h) Tiempo (h)

2º ciclo 3º ciclo

FIGURA 6