Removal of α-pinene from waste gases in one- and two-liquid-phase stirred tank bioreactors and biotrickling filters

Abstract

[Resumen] Cada año, los países industrializados generan miles de millones de toneladas de contaminantes que son emitidos a la atmósfera, ocasionando alteraciones en la estructura y el funcionamiento de los ecosistemas. La necesidad de vigilar las concentraciones de dichas emisiones deriva fundamentalmente de su toxicidad, de la formación de reacciones fotoquímicas, y de su importancia como precursores de aerosoles. Una alternativa para el tratamiento de efluentes gaseosos, previamente a su liberación a la atmósfera, es el empleo de sistemas biológicos en los que cultivos de microorganismos son seleccionados específicamente para biodegradar contaminantes. Dichos sistemas presentan elevadas eficacias de eliminación asociadas a bajos costes de operación, lo que los convierte en opciones ideales para el control y el tratamiento de emisiones atmosféricas. El objetivo principal de esta investigación es el desarrollo y la optimización de biorreactores aptos para realizar de manera eficiente la biodegradación del α-pineno, que se encuentra fundamentalmente en efluentes gaseosos de industrias de la madera y de la producción de pasta y papel. Inicialmente, en el capítulo 1 se resumen los diversos sistemas físico-químicos y biológicos para la eliminación de compuestos orgánicos volátiles, así como sus ventajas e inconvenientes. El capítulo 2 incluye una revisión de las propiedades químicas básicas del -pineno, así como una visión general sobre diversos estudios publicados basados en su eliminación. Los materiales y los métodos utilizados para la determinación de los distintos parámetros durante la realización de este trabajo se presentan en el capítulo 3. En los capítulos siguientes se presentan los diseños experimentales llevados a cabo para la optimización de los biorreactores para la eliminación de α-pineno, junto con los resultados obtenidos. En el capítulo 4, dos filtros percoladores alimentados con aire contaminado de α- pineno fueron inoculados a diferentes temperaturas con un hongo de la especie Ophiostoma. El rendimiento fue evaluado en presencia de una fase acuosa y de dos fases liquidas inmiscibles, utilizando aceite de silicona como fase orgánica. Paralelamente, se realizó un estudio similar utilizando otro tipo de biorreactor, un tanque agitado, inoculado con un cocultivo bacteriano, cuyos resultados se describen en los capítulos 5 y 6. Dada la baja solubilidad del α-pineno en agua, y tras la eficacia observada en la eliminación de α-pineno en presencia de una fase liquida inmiscible, una nueva configuración fue llevada a cabo utilizando como fase de atrapamiento un polímero inerte en lugar de una fase orgánica. En el capítulo 7 se describen los ensayos realizados para la selección de dicho polímero, entre los que se incluyen la determinación del coeficiente de partición y difusión, y la biodegradabilidad. En los capítulos sucesivos (8, 9 y 10) se evaluó la capacidad de usar un polímero inerte para la biodegradación de α-pineno, tanto en un tanque agitado como en un filtro percolador, y la influencia de la temperatura en el proceso. Finalmente, se incluye una sección que proporciona algunas conclusiones y recomendaciones para investigaciones futuras. La investigación descrita en esta tesis ayuda a entender mejor los procesos fundamentales que tienen lugar en un proceso biotecnológico para la eliminación de α-pineno. En comparación con las tecnologías físico-químicas convencionales, es de esperar que este nuevo proceso conduzca a un ahorro sustancial en el consumo de energía y reactivos.

[Abstract] Each year, industrial countries generate billions of tons of pollutants that are emitted to the atmosphere causing changes in the structure and functioning of ecosystems. The need to monitor the concentrations of these emissions derives mainly from their toxicity, their ability to participate in photochemical reactions, and their importance as aerosol precursors. An alternative for the treatment of gaseous effluents prior to their release to the atmosphere is the use of biological systems in which microorganisms are specifically selected to biodegrade contaminants. Such systems have high removal efficiencies associated with low operating costs, making them ideal choices for pollutant treatment. The main objective of this research is the development and the optimization of bioreactors capable of performing efficiently the biodegradation of α-pinene, found mainly in gaseous effluents from the wood industry, and from pulp and paper industries. Initially, Chapter 1 summarizes the different physico-chemical and biological systems available for the removal of volatile organic compounds, as well as their advantages and disadvantages. Chapter 2 includes a review of the basic chemical properties of α-pinene, and an overview of published studies based on its disposal. The materials and methods used for the determination of the different parameters to carry out this research are presented in Chapter 3. In the following chapters, different experimental designs are conducted to optimize the bioreactors for α-pinene removal, and the results obtained are presented. In Chapter 4, two biotrickling filters fed with an α-pinene loaded gas stream, were inoculated at two different temperatures, with the fungus Ophiostoma. Their performance was evaluated in the presence of a single aqueous phase and in presence of two immiscible liquid phases, using silicone oil as organic phase. Also, we performed a similar study using another type of bioreactor, a stirred tank, inoculated with a bacterial co-culture whose results are described in Chapters 5 and 6. Given the low solubility of α-pinene in water, and based on the efficiency observed in the removal of α-pinene in presence of an immiscible liquid phase, a new reactor configuration was studied, using an inert polymer as trapping phase instead of an organic phase. Chapter 7 describes the tests for the polymer selection, studying main features such as its partition and diffusion coefficients, and its biodegradability, among others. In the following chapters (8, 9 and 10), the ability to use an inert polymer for α-pinene biodegradation, both in a stirred tank and a biotrickling filter, and the influence of temperature in their performance, were also evaluated. To summarize, the last section provides some conclusions and recommendations for future research. The research described in this thesis increases the understanding of the underlying processes that take place in a biotechnological process for the removal of α-pinene. Compared to conventional physico-chemical technologies, this novel process is expected to lead to substantial savings on energy and chemical consumption.