Gina María Hincapié Mejía1, Juan Miguel Marín S.2, Luis Alberto Ríos3 y Gloria Restrepo4
1 Ingeniera química. M.Sc., en Ingeniería, Universidad de Antioquia, Colombia. ginah@udea.edu.co
2 Ingeniero químico. M.Sc, en ingeniería ambiental. Dr., en ciencias químicas. Profesor asistente, Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Antioquia, Colombia. jmmarin@udea.edu.co
3 Ingeniero químico. M.Sc., ciencias químicas. Dr., en ciencias naturales. Profesor asociado, Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Antioquia, Colombia. larios@udea.edu.co ]]>
RESUMEN
Se realizó un estudio de la degradación de la bacteria E. coli empleando un fotorreactor de discos rotatorios fabricado en acero inoxidable para conocer el comportamiento de este sistema fotorreaccionante bajo diferentes condiciones de operación. El fotorreactor está dotado de seis lámparas de luz negra (BLB) utilizadas como fuente de luz UV y provisto de siete discos desmontables de vidrio común esmerilado impregnados con el fotocatalizador TiO2, los cuales se encuentran acoplados a un sistema de rotación. La impregnación del TiO2 sobre los discos se realizó empleando el método sol-gel variando las relaciones molares de los precursores del gel, y se les realizaron pruebas de resistencia a la abrasión, adherencia a los discos y uniformidad en la superficie, para seleccionar la película que presentara las mejores características. Los estudios de fotodegradación de la bacteria se llevaron a cabo tomando como parámetros variables: la velocidad de rotación de los discos, la intensidad de radiación y el número de discos, el cual está directamente relacionado con la concentración del fotocatalizador en el sistema. Se alcanzaron degradaciones de hasta 64,3% en cuatro horas empleando siete discos, intensidad baja y velocidad de rotación baja.
Palabras clave: fotodegradación, E. Coli, sol-gel, TiO2, fotorreactor
ABSTRACT
Degradation of the bacterium E. coli was studied using a rotatory disk photoreactor manufactured in stainless steel to ascertain this photoreaction system’s behaviour in different operating conditions. The photoreactor was equipped with 6 black light bulbs (BLB) used as a source of UV light and fitted with 7 removable disks made of common frosted glass impregnated with TiO2 photocatalyzer which were coupled to a rotation system. TiO2 was impregnated on the disks using the sol-gel method varying molar precursor gel ratios. Abrasion resistance, disk adhesion and surface uniformity tests were carried out for selecting the film presenting the best characteristics. Bacterial photodegradation studies were carried out using the following variable parameters: the disks’ rotation speed, radiation intensity and the number of discs which were directly related to the concentration of photocatalyzer in the system. Up to 64.3% degradation was achieved in 4 hours using 7 disks, low intensity and low rotation speed.
Keywords: photodegradation, E. coli, sol-gel, TiO2, photoreactor
Recibido: julio 4 de 2007
Aceptado: octubre 31 de 2007
Introducción
]]> A nivel mundial el agua aparece como un recurso prácticamente ilimitado; sin embargo, el 3% de la masa mundial de agua es dulce y sólo la mitad de ella es apta para beber y para los demás usos domésticos. ésta debe ser cristalina, inodora, fresca y agradable, y además no poseer materia orgánica, gérmenes patógenos ni sustancias químicas (Red Interamericana de Recursos Hídricos, 2007).Debido al aumento de las necesidades provenientes de la explosión demográfica y del desarrollo económico, es evidente un decrecimiento en la calidad de este recurso; por tanto el hombre se ha encontrado con la necesidad de generar procesos de descontaminación y desinfección que hagan posible cumplir con los niveles de calidad requeridos.
Desde hace un siglo se viene utilizando la determinación de Escherichia Coli como el mejor indicador de contaminación de aguas con materia fecal, siendo 0 UFC/100mL de agua el valor guía dado por la Organización Mundial de la Salud (OMS). (Cepis 2007).
La E. Coli que habita normalmente en el intestino del hombre y animales de sangre caliente, es una bacteria Gram negativa típica de la familia Enterobacteriaceae, de respiración anaerobia facultativa en el interior del intestino y aerobia en el exterior (Huang, 2000). Se puede eliminar por un proceso de oxidación química y este proceso hacerse por medio de cualquier oxidante químico: cloro, productos clorados, ozono, etc; sin embargo el gran problema de la utilización de cloro para la desinfección de aguas residuales es la formación de compuestos organoclorados que pueden ser cancerígenos o mutagénicos, como los triclorometanos generados como subproductos de reacciones en presencia de materia orgánica (Sanabria, 2002), y los procesos llevados a cabo con ozono, aunque no generan subproductos, suelen tener costos muy elevados.
La fotocatálisis heterogénea (FH) con TiO2 representa una tecnología alternativa prometedora para la degradación de diversas sustancias, bacterias, endotoxinas (Coleman et al., 2005; Rincón y Pulgarín, 2006) y para la inactivación de microorganismos presentes en el agua, como es el caso de la bacteria E. Coli, en los cuales produce cambios morfológicos y fisiológicos en su ADN impidiendo su normal reproducción (Huang, 2000; Oginoa et al., 2006; Red Cytec, 2004; Cirelli y Mortier, 2005; Torresa, et al., 2007). La FH se basa en la utilización de un material semiconductor tal como el TiO2, en suspensión o soportado, el cual es irradiado con luz UV para la generación de radicales hidroxilo con alto poder oxidante, que desencadenan una serie de reacciones capaces de destruir compuestos orgánicos y organismos resistentes al ambiente.
La implementación de la FH para el tratamiento de aguas requiere el desarrollo de fotorreactores apropiados que hagan viable y económica la técnica y aplicación de este tipo de tecnologías. En tal sentido se diseñó y construyó un fotorreactor tipo discos rotatorios, que puede ser considerado como un sistema fotorreaccionante novedoso y particularmente conveniente para aplicaciones a gran escala, y constituye un buen ejemplo de un sistema que emplea el fotocatalizador inmovilizado.
Se presenta aquí el estudio de la degradación de la bacteria E. Coli empleando un fotorreactor de discos rotatorios para determinar su mejor comportamiento al variar parámetros como velocidad de rotación de los discos, la intensidad de radiación y el número de discos.
Experimental
Materiales y equipos
Balanza analítica (Sartorius Basic), agitador con control de temperatura y rpm (Ikamag RCT), autoclave (All American modelo 25X-1), incubadora (Kyoven Dies), agar EMB (Sigma Aldrich), agua destilada, cepa de E. Coli, espectrofotómetro (Helios α), cuenta colonias (Fisher modelo 133-8002), filtros (Advantec MFS, inc), equipo de filtración al vacio, almohadillas absorbentes, tetra etil orto silicato (TEOS, Merck), isopropanol (Merck), ácido sulfúrico 3N (H2SO4, Merk), ácido clorhídrico 3N (HCl Merck), dióxido de titanio (TiO2 Hombikat UV 100).
]]> MicroorganismoLa cepa de Escherichia Coli utilizada en la investigación fue donada por el Departamento de Microbiología de la Facultad de Medicina de la Universidad de Antioquia. Para el mantenimiento y viabilidad de la cepa se hicieron réplicas periódicas, en el medio de cultivo eosina y azul de metileno (Agar EMB) y fueron conservadas en nevera a 4°C.
Para estudiar la cinética de crecimiento de la bacteria en el caldo de cultivo se realizó un estudio experimental con el fin de determinar el tiempo en el que la biomasa se encontraba en su fase logarítmica o exponencial utilizando como medio de cuantificación o conteo la técnica de absorbancia y conteo de unidades formadoras de colonia UFC en placa sobre agar EMB.
Fotorreactor de discos rotatorios
El sistema fotorreaccionante tipo discos rotatorios se construyó como un tanque semicilíndrico en acero inoxidable con capacidad de diez litros, provisto de una tapa del mismo material que cierra herméticamente para evitar contaminaciones y garantizar que la bacteria E. Coli fuera la única especie presente en el sistema, en la tapa además se ubicaron seis lámparas de luz negra F6T5BLB, cada una de seis watts de potencia. Se dispuso en el fondo del tanque un sistema de aireación conectado a un difusor para aumentar el rendimiento de la reacción y ayudar en la agitación y homogeneización del agua contaminada. Se dotó el sistema con siete discos fabricados en vidrio común esmerilado de 16 cm de diámetro, los cuales fueron impregnados con TiO2 por medio del método sol-gel. Los discos se sujetaron a un eje desmontable elaborado en acero inoxidable, que a su vez se acopló a un motor de corriente alterna, para suministrar una variación en la velocidad de rotación. Las Figuras 1 y 2 muestran el diseño del fotorreactor propuesto y el fotorreactor construido.
Impregnación de los discos
El método sol-gel para inmovilizar el TiO2 sobre el vidrio consistió en la mezcla de los precursores del gel, tetra etil ortosilicato (TEOS) y agua, con isopropanol en medio ácido con posterior reposo por 24 horas, luego de las cuales se dispersó el TiO2 en el sol a una velocidad de 1.000 rpm. Los discos, previamente lavados en solución de H2SO4, fueron impregnados con esta solución por la técnica de Flow Coating y llevados a un tratamiento térmico a 100 °C durante 4 horas y sumergidos en HCl 24 horas para obtener una buena fijación de la película.
Caracterización de los discos
Se efectuaron estudios para determinar la calidad y el espesor de las películas obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) considerando factores como uniformidad en el tamaño de grano de TiO2 y buena dispersión; se hicieron además pruebas de abrasión y estabilidad para evaluar la adherencia de las películas al vidrio.
Evaluación de la fotodegradación
]]> Se empleó un volumen de 10 L de agua contaminada con E. Coli con una concentración de 220 UFC/100mL. El sistema fue irradiado durante cuatro horas, tomando muestras cada treinta minutos, las cuales fueron sometidas a un conteo de UFC/100ml por medio de la técnica filtro de membrana (MF) y un equipo cuentacolonias.Los ensayos se llevaron a cabo por duplicado, variando parámetros como velocidad de rotación de los discos, intensidad de la luz y número de discos (Tabla 1).
Resultados y discusión
Curvas de crecimiento de la E. Coli
La cinética del crecimiento de la E. Coli se realizo o en caldo nutritivo, tomando muestras a intervalos de uno hora. Las Figuras 3 y 4 muestran que en las dos primeras horas la bacteria se encuentra en la fase de adaptación, de dos a cuatro horas se presenta la fase de aceleración, y la fase exponencial transcurre de cuatro a nueve horas. La inoculación del sistema a degradar se hace entonces cuando la bacteria está en esta fase exponencial, para garantizar que ella se encuentra en pleno crecimiento, y que si hay degradación y muerte es a causa de la acción fotocatalítica y no a que la bacteria estaba en su fase estacionaria o de muerte.
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Las pruebas físicas consistieron en frotar las impregnaciones con materiales no abrasivos como lana y algodón; resistencia al paso de fluidos sobre su superficie para garantizar que no se erosionaran durante los experimentos y resistencia a agentes químicos como ácidos inorgánicos y solventes orgánicos para estudiar su resistencia química.
La caracterización por SEM muestra una buena dispersión y uniformidad de la película delgada de dióxido de titanio sobre toda la superficie del disco, Figura 5.
Para determinar el espesor de la película de TiO2 se hizo un corte fino a cada muestra con una cuchilla de diamante y se inmovilizó la pieza obtenida en resina acrílica para su análisis. La Figura 6 muestra el espesor de la película impregnada de 13.36“m en promedio, comprobando que se trata de una superficie regular, uniforme y plana.
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Evaluación de la fotodegradación de E. Coli
Las Figuras 7 y 8 exhiben los blancos logrados en ausencia de luz y de TiO2 respectivamente, donde se aprecia una etapa de adaptación de la bacteria al nuevo medio y la evidencia de que el TiO2 no ejerce poder bactericida sin la presencia de luz.
En la Figura 8 puede observarse que la luz ultravioleta con una longitud de onda aproximada de 385 nm, propia de la luz negra, no actúa sobre la bacteria y esta continúa su etapa de crecimiento.
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En los experimentos realizados variando la intensidad de la luz, velocidad de rotación de los discos y el número de discos, se observó que el número de UFC disminuyó en los primeros 30 minutos debido a la fase de adaptación al medio, pero dada su alta capacidad de adaptación estas pueden reiniciar su duplicación después de un corto periodo de tiempo (Alfredo G. Torres, et al., 2007). Luego se presenta una etapa de muerte bacterial producido por el efecto de la fotocatálisis sobre las bacterias, ya que se presenta un proceso de oxidación de la pared celular que afecta progresivamente su permeabilidad, permitiendo que los agentes oxidantes accedan al interior de la célula alterando el ADN y provocando finalmente su muerte (Rincón y Pulgarín, 2004; Sunada et al., 2003).
La Figura 9 muestra que la mayor degradación alcanzada fue del 64.3% al emplear siete discos, intensidad baja y velocidad de rotación baja. Un mayor número de discos se traduce en mayor cantidad de TiO2 en el sistema. La turbulencia generada por los discos es adecuada para lograr un buen tiempo de contacto entre la bacteria y el fotocatalizador. Con respecto a la luz se observa cómo esta variable tiene su mayor efecto en la degradación de la bacteria cuando es utilizada con una menor intensidad, ya que presentó el mayor porcentaje de degradación en los experimentos hechos independientemente de los cambios efectuados en el número de discos; es muy factible que la misma luz que ocasiona la destrucción de la bacteria también sea utilizada por esta para lograr una reactivación vía fotoquímica (http://www.epa.gov, 2007).
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Conclusiones
La presencia de TiO2 en el reactor es indispensable para que se lleve a cabo el proceso de fotocatálisis; el efecto aislado de la luz no es suficiente para producir la degradación de la bacteria.
El método de impregnación utilizado en los discos fue adecuado, ya que las películas obtenidas presentaron muy buenas características de uniformidad, buena adherencia a la superficie del disco y alta resistencia a la abrasión producida por el agua; las películas mantuvieron sus características durante el tiempo de la experimentación.
La configuración del sistema fotorreaccionante de discos rotatorios fue adecuada para que se diera una buena transferencia de masa, un contacto eficiente entre el medio a tratar y el fotocatalizador, y una exposición apropiada del fotocatalizador a la luz.
Se evidenció que no necesariamente una intensidad alta de luz coadyuva al proceso de fotomuerte. Una serie de mecanismos de defensa son activados por las células bacterianas al ser atacadas por agentes externos, tales como la luz, y es por ello que puede lograrse una mayor degradación empleando una menor intensidad de luz.
Los resultados obtenidos en este estudio muestran que la fotocatálisis heterogénea es una tecnología viable, y que no obstante encontrarse aún en etapa de investigación y presentar limitaciones en su aplicación, puede ser considerada como una alternativa para el tratamiento de aguas. Investigaciones futuras deberán conducir a comprender los mecanismos de foto-reactivación de la bacteria E-Coli y el rol que juegan en su fotodegradación.
]]> AgradecimientosLos autores agradecen a la Universidad de Antioquia por la financiación y apoyo para el desarrollo de esta investigación.
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