El reactor de transporte aéreo es un método revolucionario, económico y eficiente que ha marcado una nueva dirección en los biorreactores de transporte aéreo en el procesamiento microbiano. Cuando hablamos de biorreactores de transporte aéreo, nos referimos a un tipo de biorreactor que utiliza gas o aire en el medio de cultivo para crear un flujo que promueve la mezcla y la transferencia de oxígeno.
Entonces, ¿necesita procesos biológicos eficientes y efectivos como los que se utilizan en el tratamiento de aguas residuales? Los biorreactores de transporte aéreo son, por lo tanto, un método práctico y sostenible para gestionarlos. En el tratamiento del agua, fomentan la circulación del oxígeno y, por lo tanto, reducen la demanda química de oxígeno (DQO) y la demanda bioquímica de oxígeno (DBO).
En los siguientes apartados descubrirás cómo funcionan los reactores de transporte aéreo en el tratamiento de aguas residuales y la esencia de su creación. En este artículo también se tratan su diseño, ventajas, desventajas y otras áreas relacionadas.
¿Qué es un reactor de transporte aéreo?
Como se ha señalado, los biorreactores son recipientes utilizados para cultivar procesos bioquímicos vitales como la purificación y el tratamiento del agua en diferentes áreas: industrial, médica o ambiental.
Sin embargo, es posible que la mayoría de ustedes no sepan que existe más de un tipo de biorreactor que se puede utilizar para distintos fines. Bueno, tenemos un biorreactor de transporte aéreo. Este tipo de biorreactor agita el medio de cultivo con la ayuda del flujo de gas comprimido. El gas hace que el líquido se mueva y esto hace que los nutrientes y los gases se mezclen bien.
Tipos de reactores de transporte aéreo
Los reactores de transporte aéreo son equipos modernos que se aplican en el campo de los tratamientos de agua y los procesos biotecnológicos. También cuentan con circulación de líquido impulsada por gas para mejorar los procesos de tratamiento de transferencia/mezcla. Existen dos categorías principales de ALR:
1. Reactor de transporte aéreo de bucle externo (ELALR)
El reactor de transporte aéreo de bucle externo consta de un tubo ascendente y un tubo descendente, que son dos recipientes diferentes pero conectados que facilitan el movimiento del líquido.
El ELALR funciona en base a la diferencia de densidad entre el tubo ascendente y el tubo descendente. Esta diferencia se debe a que en el tubo ascendente solo se inyecta gas. Esto hace que el líquido se mueva de manera circular en un patrón que se asemeja a un bucle.
Hay una separación incompleta de los gases en el separador superior y esto permite que el reactor de elevación de aire de bucle externo mejore la mezcla y aumente el flujo de líquido. Los resultados son una mayor eficiencia de la circulación del líquido. Sin embargo, tiene menos recirculación de gas y transferencia de masa en comparación con los diseños internos.
2. Reactor de transporte aéreo de bucle interno (ILALR)
Al igual que el ELALR, el reactor de bucle de transporte aéreo interno es una forma de biorreactor compuesto por dos partes: el tubo ascendente y el tubo descendente. Las dos partes están separadas por un tubo de aspiración o una barrera vertical.
Bueno, existen más similitudes en cuanto al funcionamiento del ILALR y el ELALR. Por ejemplo, se crea un circuito de flujo dentro del reactor inyectando gas en el tubo ascendente, de forma muy similar al reactor de transporte aéreo de circuito externo. El diseño pequeño y eficaz del reactor de transporte aéreo de circuito interno mejora la transferencia de masa al mejorar la recirculación de gas.
Además, el reactor de elevación de aire de bucle interno es perfecto para procesos que requieren un contacto más intenso entre el gas y la fase líquida para su funcionamiento. Es ideal para procedimientos de fermentación y tratamiento biológico de aguas residuales.
Diferencias clave entre el reactor de transporte aéreo de bucle externo y el reactor de transporte aéreo de bucle interno
| Característica | Bucle externo | Bucle interno |
| Separación | Compartimentos externos | Deflector interno o tubo de tiro |
| Desconexión del gas | Casi total | parcial |
| Circulación de líquidos | Más alto | Moderado |
| Transferencia de masa | Más bajo | Más alto |
Aunque ambas variedades de reactores de transporte aéreo funcionan bien, se seleccionan según los requisitos de aplicaciones particulares, incluido el transporte de masa, la intensidad de la mezcla y las limitaciones de espacio.
Diseño de reactores de transporte aéreo
El diseño de un reactor de transporte aéreo influye en gran medida en el rendimiento y la eficiencia. Para comprender los procesos mediante los cuales funcionan los fermentadores y biorreactores de transporte aéreo al tratar aguas residuales, es necesario comprender su construcción y funcionamiento.
1. Estructura básica
En un reactor de transporte aéreo hay dos zonas: el tubo ascendente y el tubo descendente. El tubo ascendente es el punto donde se introduce el gas para provocar un movimiento ascendente del líquido, mientras que el tubo descendente proporciona un canal por el que el líquido fluye hacia abajo. La circulación es posible gracias a la diferencia de altura sensible entre estas zonas, lo que mantiene un bucle en el reactor.
2. Rociador de gas
Un burbujeador de gas hace descender el gas hacia el sistema por la parte inferior del tubo ascendente. La geometría del burbujeador desempeña un papel central en la generación de pequeñas burbujas de gas que mejoran la mezcla y la transferencia de oxígeno. La técnica es más eficiente cuando hay pocas burbujas. La generación de muchas burbujas aumenta el área de superficie de la interfaz gas-líquido, lo que hace que el proceso sea ineficiente.
3. Bucle interno o externo
Dependiendo de cómo se construyen sus bucles, los reactores de transporte aéreo se pueden dividir en dos categorías principales:
Reactores de bucle interno
Estos reactores poseen un tubo ascendente y un tubo descendente que están incorporados en un solo recipiente. Si bien este diseño es más compacto y sencillo, es posible que no proporcione una separación clara como las que se observan en los sistemas de bucle externo.
Reactores de bucle externo
En un reactor de bucle externo, el tubo ascendente y el tubo descendente son recipientes o tuberías separados.
Si bien ocupa más espacio y también puede ser más costoso en las etapas iniciales, este diseño permite tener el máximo control sobre la circulación y la interacción.
4. Tubo de aspiración
Algunos reactores de transporte aéreo tienen un tubo de aspiración instalado en su interior. Un tubo de aspiración es una estructura cilíndrica que ayuda a la circulación. Muchos diseños colocan el tubo de aspiración en la trayectoria del flujo, lo que mejora la velocidad del movimiento ascendente y descendente. La exclusión de zonas estacionarias es particularmente beneficiosa en los reactores de transporte aéreo de bucle interno.
5. Control de circulación de líquidos
La velocidad de circulación del líquido depende del volumen de gas inyectado, de la altura del reactor y de la densidad del líquido. Los operadores pueden ajustar estos parámetros para lograr altos niveles de intensidad de mezcla, así como de velocidad de circulación, si es necesario.
6. Sensores y monitorización
Se dará cuenta de que muchos reactores de transporte aéreo contemporáneos tienen sensores para monitorear variables como la temperatura, el pH, la concentración de biomasa y el oxígeno disuelto. Los operadores pueden mantener las condiciones ideales para la actividad microbiana y el tratamiento de aguas residuales utilizando estos datos para guiar sus modificaciones.
Aunque los fermentadores de transporte aéreo como el Fermentador industrial multietapa de acero inoxidable 2000L are frequently employed in industrial settings to produce goods like biofuels and medications, airlift bioreactors and fermentors share similar fundamental design components. This design’s adaptability enables adaptation according to particular wastewater treatment objectives.
Utilización de reactores de transporte aéreo para el tratamiento de aguas residuales
Los reactores de transporte aéreo muestran flexibilidad y adaptabilidad en una variedad de industrias al ser utilizados en una amplia gama de escenarios de tratamiento de aguas residuales:
1. Tratamiento de aguas residuales municipales
Algunos de los contaminantes orgánicos que se encuentran en las aguas residuales municipales incluyen fósforo y nitrógeno. Las poblaciones microbianas necesarias para eliminar estos contaminantes se mantienen mediante reactores de transporte aéreo. Son económicos para plantas municipales de gran escala debido a su preferencia energética y a sus altas tasas de transferencia de oxígeno.
2. Tratamiento de aguas residuales industriales
El sector específico que genera aguas residuales con demanda bioquímica de oxígeno incluye las industrias química, alimentaria y farmacéutica. Dichos efluentes pueden ser tratados de manera eficiente modificando los reactores airlift, especialmente los de circuito externo. Debido a su alto contenido de biomasa, los compuestos orgánicos complejos se descomponen más en este tipo de reactores.
3. Eliminación de nutrientes
Los cuerpos de agua se contaminan y se vuelven eutróficos debido al desequilibrio de nutrientes, especialmente nitrógeno y fósforo. Los reactores de transporte aéreo también permiten la eliminación de los nutrientes antes mencionados, ya que el sistema alberga comunidades microbianas que solucionan el problema.
4. Tratamiento anaeróbico de aguas residuales
Los reactores de transporte aéreo pueden funcionar sin oxígeno. La principal ventaja de los métodos anaeróbicos es que pueden producir biogás que puede utilizarse como fuente de energía. Esto resulta beneficioso en el tratamiento de aguas residuales con valores elevados de DBO y DQO.
5. Tratamiento de residuos tóxicos
Algunas sustancias químicas tóxicas presentes en determinadas aguas residuales industriales afectan negativamente a las bacterias aeróbicas normales. Los reactores de transporte aéreo son aún más seguros y constituyen un mecanismo de tratamiento más eficaz que implica el uso de consorcios microbianos especializados para la degradación de estos compuestos tóxicos.
6. Reducción del volumen de lodos
Los lodos se observan muy a menudo como producto final del tratamiento de aguas residuales y su eliminación es un problema. Los reactores de transporte aéreo degradan la materia orgánica de una manera más eficiente y dan como resultado una menor producción de lodos, lo que facilita la eliminación.
¿Cómo funcionan los reactores de transporte aéreo en el tratamiento de aguas residuales?
Probablemente te estés preguntando cómo funcionan los reactores de transporte aéreo. Básicamente, se introduce aire en un tubo de aspiración, lo que crea burbujas que transportan líquido hacia la parte superior. Esto da lugar a un patrón de circulación cerrado debido al flujo ascendente continuo de líquido. A continuación, se muestra una descripción detallada de cómo funcionan los reactores de transporte aéreo:
1. Aireación y mezcla
In the reactor’s riser section, air is supplied. As the gas rises, the liquid in the riser moves upward, and the downcomer then flows downward. Because of the extensive mixing provided by this circulation, the reactor’s gasses and nutrients is distributed evenly.
2. Descomposición microbiana
Las aguas residuales contienen materia orgánica que los microorganismos alimentan en un reactor específico. Este proceso reduce la Demanda química y bioquímica de oxígeno (DBO y DQO).
3. Separación de lodos
Después de la fase de tratamiento microbiano, parte de la biomasa cae y se deposita en el fondo del reactor. Cuando el agua tratada avanza al siguiente nivel de purificación, la biomasa o lodo sedimentado se puede recoger fácilmente para su posterior tratamiento o eliminación.
Airlift Reactors’ Benefits for Treating Wastewater
Los reactores de transporte aéreo son populares para una variedad de aplicaciones porque brindan una serie de beneficios en el tratamiento de aguas residuales:
1. Transferencia eficaz de oxígeno
Como hemos observado, siempre hay circulación en contracorriente en las zonas de subida y bajada. Como resultado, los reactores de transporte aéreo ofrecen una alta transferencia de oxígeno en comparación con los reactores de tanque agitado.
¿Ha trabajado en sistemas de tratamiento aeróbico de aguas residuales? Si es así, debe saber que la transferencia de gas eficaz es necesaria para todas las técnicas de tratamiento aeróbico porque el oxígeno es esencial para los procesos microbianos.
2. Reducción de las necesidades energéticas
En comparación con otros reactores, los reactores de transporte aéreo también son relativamente eficientes energéticamente, ya que no es necesaria la agitación mecánica. Como la mayor parte del proceso se basa en la circulación, se produce una desaceleración en el uso de energía y en los costos operativos.
3. Transferencia de masa y mezcla mejoradas
Una característica importante de los reactores de transporte aéreo es la capacidad de proporcionar una mezcla completa en todo el reactor para eliminar las zonas muertas que afectarían negativamente la cinética de la reacción. Para el tratamiento de aguas residuales, esto los hace muy eficaces, ya que el proceso depende de la dispersión constante de gases y nutrientes.
4. Esfuerzo cortante mínimo
La agitación mecánica puede ser destructiva para los microorganismos presentes. Biorreactores a escala industrial donde la viabilidad microbiana es importante. El crecimiento microbiano y la eficacia para la eliminación de contaminantes se mejoran gracias a las condiciones relativamente favorables y a la menor tensión de corte.
5. Flexibilidad de aplicación
Gracias a su flexibilidad, los reactores airlift se utilizan para cualquier proceso biológico de interés. Son especialmente adecuados para el tratamiento de aguas residuales en condiciones aeróbicas y anaeróbicas. Son igualmente adecuados para el tratamiento de aguas y efluentes industriales.
6. Menor necesidad de mantenimiento
Los reactores de transporte aéreo también tienen un diseño mecánico menos complejo que los reactores de bomba, por lo que son menos complicados que otros tipos de reactores, lo que hace que su mantenimiento sea más sencillo.
Desventajas del transporte aéreo
Los reactores de transporte aéreo tienen las siguientes desventajas que pueden reducir la calidad del tratamiento de las aguas residuales:
1. Retención limitada de gases
Si bien podrá disfrutar de la eficiencia de la transferencia de oxígeno en los reactores de transporte aéreo, existen circunstancias en las que la cantidad de gas que realmente puede retenerse en el líquido es limitada. A medida que esto sucede, el suministro de oxígeno puede reducirse, especialmente en actividades que requieren mucha energía. Con el tiempo, esto puede afectar la eficiencia general de los microbios.
¿Realiza tratamientos de aguas residuales a gran escala? Si es así, es posible que los reactores de transporte aéreo no sean la solución perfecta. Los reactores de transporte aéreo funcionan de manera eficiente con una escala modesta de tratamientos de aguas residuales. Mantener la mezcla y la circulación adecuadas necesarias en tales sistemas se vuelve difícil a medida que el sistema se expande.
2. Mayor inversión inicial
Los costos de construcción de los reactores de transporte aéreo probablemente sean más altos que los de las bombas convencionales debido a la necesidad de materiales y técnicas de construcción especiales. A pesar de que se logran ahorros en los costos de operación, los costos de inversión en el equipo podrían ser un factor limitante, especialmente para las instalaciones pequeñas.
3. Posible obstrucción
Los reactores de transporte aéreo pueden bloquearse fácilmente en aplicaciones de aguas residuales que contienen partículas suspendidas. Esto aumenta la necesidad de un control estricto y posiblemente otros procedimientos de filtrado de subclases.
4. Fluidos viscosos
En el caso de aguas residuales con alta viscosidad, el rendimiento de los reactores de transporte aéreo es bajo. ¿Por qué? La circulación del gas-líquido puede verse interrumpida por los fluidos viscosos, lo que reduce la eficiencia del tratamiento.
Otros métodos de tratamiento de aguas residuales
El tratamiento de las aguas residuales se puede lograr con muchas tecnologías en función del tipo y la concentración de contaminantes que se deseen eliminar, el objetivo del tratamiento y el factor de costo. Las opciones incluyen:
1. Métodos de tratamiento físico
El primer paso en el tratamiento de aguas residuales suele ser el cribado, en el que se eliminan las partículas grandes, como plásticos y trapos, mediante tamices mecánicos. Después, se permite que los sólidos suspendidos se hundan de forma natural hasta el fondo de los tanques de sedimentación para que puedan eliminarse. Por último, las técnicas de filtración, como los filtros de arena, el carbón activado o las membranas sofisticadas, eliminan los contaminantes y las partículas diminutas para garantizar un agua más clara.
2. Método de tratamiento químico
Este método implica el uso de sustancias químicas como el cloruro férrico o el alumbre. La coagulación y la floculación constituyen el paso inicial y suponen la adición de sustancias como el alumbre o el cloruro férrico para agrupar las partículas pequeñas.
Luego se utiliza cloración, luz ultravioleta u ozono para matar todo tipo de organismos patógenos.
Finalmente, al agregar materiales como cal, carbonato de sodio o ácidos, el ajuste del pH equilibra el agua ácida o alcalina y garantiza que cumpla con los requisitos de consumo seguro.
3. Tratamiento biológico
En el tratamiento biológico, los contaminantes orgánicos se minimizan mediante cultivos microbianos o tanques de aireación. Los contaminantes se reducen mediante biopelículas a medida que las aguas residuales pasan a través de un lecho de medios.
Este tratamiento implica la construcción de humedales que imitan los ambientes húmedos naturales, en los que se utilizan plantas y microorganismos en el proceso de filtración del agua.
4. Sistema de tratamiento anaeróbico
Los sistemas de tratamiento anaeróbico son capaces de degradar contaminantes orgánicos cuando no hay oxígeno disponible. Por ejemplo, los digestores anaeróbicos descargan biogás en el proceso de tratamiento de basura.
Además, los efluentes industriales de alta concentración suelen someterse a tratamiento en reactores de manto anaeróbico de lodos de flujo ascendente (UASB). Estos reactores son una buena inversión porque pueden controlar los desechos e incluso generar energía.
5. Tecnologías emergentes e híbridas
Una serie de tecnologías de vanguardia están mejorando la eficacia del tratamiento de aguas residuales:
- Reactores de biopelícula de lecho móvil (MBBR): estos reactores mejoran enormemente la eficacia del tratamiento al promover la formación de biopelículas utilizando medios flotantes.
- Fotocatálisis: Este método descompone los contaminantes mediante el uso de catalizadores y luz ultravioleta, proporcionando una opción de tratamiento higiénica y eficaz.
- Nanotecnología: Se eliminan toxinas y contaminantes traza mediante sofisticados filtros y adsorbentes creados mediante nanotecnología, eliminando contaminantes que las técnicas convencionales podrían pasar por alto.
Conclusión
Los reactores de transporte aéreo son un método de vanguardia para el tratamiento de aguas residuales porque combinan sostenibilidad, flexibilidad y eficiencia. Son útiles para el procesamiento biológico de aguas residuales porque su diseño exclusivo mejora la mezcla y la transferencia de oxígeno.
Si bien presentan ciertas desventajas, los beneficios de los reactores de transporte aéreo con frecuencia superan sus inconvenientes, especialmente en aplicaciones donde la mezcla delicada y la eficiencia energética son cruciales.
En una época en la que la necesidad de agua limpia es mayor que nunca, innovaciones como el fermentador y el biorreactor de transporte aéreo presentan opciones viables para la gestión sostenible de las aguas residuales. ¿Está buscando soluciones para el tratamiento de aguas residuales? Conozca nuestro reactor —Ofrecemos soluciones integrales para el tratamiento de aguas residuales.
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