Sintesis Y Caracterizacion De Catalizadores

UNIVERSIDAD DE CHILE

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOTECNOLOGÍA






ESTUDIO DE LA REDUCCIÓN DE AZUFRE ELEMENTAL Y PRODUCCIÓN DE SULFURO DE HIDRÓGENO EN BIOREACTORES ANAERÓBICOS






TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

MENCIÓN QUÍMICA








CLAUDIO MANUEL ESCOBAR ANTOINEPROFESOR GUÍA:

LEANDRO HERRERA ZEPPELIN

PROFESOR CO-GUÍA:

TOMÁS VARGAS VALERO

MIEMBROS DE LA COMISIÓN:

JOSÉ HERNÁNDEZ PAVEZ

MARÍA ELENA LIENQUEO CONTRERAS

GONZALO RUIZ FILIPPI







SANTIAGO DE CHILE

OCTUBRE 2009


RESUMEN



En el presente trabajo de tesis se estudió la reducción de azufre elemental y la producción de sulfuro de hidrógeno en dos diferentestipos de bioreactores: reactor agitado mecánicamente y reactor gaslift. La importancia de este estudio radica en la comprensión de los distintos factores que se ven involucrados en este tipo de sistema bacteriano, con la finalidad de lograr un futuro desarrollo tecnológico de estos bioreactores para su aplicación industrial.

Tanto el reactor agitado mecánicamente como el reactor gaslift, fueroninoculados con cultivos de Desulfovibrio desulfuricans. La temperatura de los reactores se controló automáticamente en 30ºC y el pH se mantuvo constante automáticamente a 7,0 ± 0,2, mediante inyección de CO2. Ambos reactores fueron operados en modalidad batch para las fases líquida y sólida, y en forma continua para la fase gas (H2, H2S(g), H2O(vap), CO2(g)). Como sustrato energético se utilizó H2y como fuente carbono se utilizó CO2.

Los resultados experimentales mostraron que la principal limitante de la velocidad de reacción es la disponibilidad de superficie activa de las partículas de azufre. Esta va disminuyendo a medida que se recubre con biofilm, compuesto tanto por bacterias como por sustancias poliméricas extracelulares. La presencia de bacterias adheridas a la superficie delas partículas de azufre pudo ser detectada mediante microfotografías tomadas con SEM. Por otra parte, utilizando la técnica XPS se determinó que las sustancias poliméricas extracelulares estaban constituidas aproximadamente por 73% de proteínas y 27% de polisacáridos.

Se pudo comprobar que no hay limitación por transferencia de masa gas líquido del hidrógeno. Tampoco se evidenciaron problemaspor inhibición por producto (ácido sulfhídrico). Sólo se presentaron problemas de desorción del ácido sulfhídrico para una velocidad de gas igual a 5,1•10-4 m3N•m-2•s-1, en el reactor agitado mecánicamente.

En los experimentos realizados en el reactor gaslift se obtuvo una tasa promedio de formación de H2S(g) de 65,6 ± 7,0 mg H2S•(g S)-1•d-1 (687 ± 71 mg H2S•(m2 S)-1•d-1), para un rango de v/v/mcomprendido entre 0,17 y 0,93. Mientras que en el reactor agitado se obtuvo una tasa promedio de formación de H2S(g) de 50,7 ± 2,7 mg H2S•(g S)-1•d-1 (513 ± 38 mg H2S•(m2 S)-1•d-1), para un rango de v/v/m comprendido entre 0,22 y 2,97. De esta manera es más conveniente el empleo del reactor gaslift que el reactor agitado mecánicamente, ya que se logra un patrón de mezclado aceptable, una buenasuspensión de azufre y mayores velocidades de formación de producto para menores consumos de potencia.

Mediante el estudio de intermediarios de la reacción, fue posible detectar tiosulfato y otro compuesto más, que podría corresponder a un polisulfuro del tipo [Sn-1(0)S(2-)]2-.

Mediante el desarrollo de un modelo fenomenológico que describió la bioreducción de azufre elemental, se determinaronlos parámetros cinéticos de la reacción en el reactor agitado mecánicamente: Pmax (velocidad máxima de crecimiento específico celular) = 5,1•10-3 h-1; kS1(constante de afinidad al aceptor terminal de electrones) = 8,7•10-3 M; kA (constante cinética de adherencia) = 1•10-1 h-1; kd (constante cinética de desorción) = 6,5•10-5 h-1; kS (coeficiente cinético para la reacción en la superficie) =...