CARACTERIZACION DE BACTERIAS CON CAPACIDAD SULFATO-REDUCTORA Y SU APLICACION EN EL PROCESO DE BIODESULFURACION DE COMBUSTOLEO MEXICANO Juárez Rubén, Rodríguez Abelardo, Torres Luis, Jiménez Blanca Instituto de Ingeniería. Coordinación de Ambiental. Grupo Tratamiento y Reuso. Universidad Nacional Autónoma de México. Apartado Postal 40-742. Coyoacán 04510. México, D.F.

RESUMEN

Los crudos y derivados que México exporta están caracterizados por su alto contenido de azufre (entre 1.5 y 4.5%), que excede los requerimientos internacionales (menos de 1%) para evitar las emisiones al aire de bióxidos de azufre. Este hecho hace que el precio del combustóleo mexicano sea entre 35 y 40 % menor que el de otros países con menor contenido de azufre. Una alternativa al proceso de hidrodesulfuración catalítica, llevado a cabo en algunas refinerías para tratar petróleo y algunos derivados, es la desulfuración biológica. Un primer paso para desarrollar este tipo de proceso es el aislamiento, caracterización e identificación de bacterias capaces de desulfurizar petróleo y fracciones de él. En este trabajo, fueron caracterizadas 24 cepas previamente aislados del medio ambiente de acuerdo con su capacidad para reducir sulfatos en agua y las características de crecimiento en medio Postgate B (a diferentes valores de pH) provistas o no con combustóleo. Algunas de las cepas resultaron con una elevada actividad sulfato reductora. El 83 % de las cepas crecieron en presencia de combustóleo, aún cuando contiene grandes cantidades de vanadio y níquel. El porcentaje de remoción para la mayoria de las cepas resultó mayor cuando el pH del proceso fue de 7 y el periódo del proceso de 7 días; para las pruebas a pH 5, se encontraron mejores remociones de sulfatos al día 14.

Palabras

clave

: bacterias atmosférica

sulfato-reductoras,

bio-desulfuración,

combustóleo,

contaminación

INTRODUCCIÓN

Los crudos y derivados que México exporta están caracterizados por su alto contenido de azufre (entre 1.5 y 4.5%), demasiado altos para satisfacer los requerimientos internacionales permitidos (menos de 1%) para las emisiones al aire de bióxidos de azufre. Este hecho hace que el costo del combustóleo mexicano sea entre 35 y 40 % menor que el de otros países. Una alternativa a el costoso proceso de hidrodesulfuración catalítica, llevado a cabo en algunas refinerías para tratar petróleo y algunos derivados, es la desulfuración biológica.

El desarrollo de este proceso comprende los siguientes pasos: a) preparación de la emulsión combustóleoagua, b) desarrollo del inóculo, c) proceso de biodesulfuración, d) esterilización, e) recuperación del combustóleo y f) recuperación de azufre y subproductos, de los cuales es el aislamiento, caracterización e identificación de microorganismos con capacidad para desulfurar petróleo y sus fracciones la etapa limitante. Los microorganismos útiles pueden provenir de una Colección Internacional o de sitios específicos donde se sospeche la existencia de esta clase de bacteria.

En este trabajo se caracterizaron 24 cepas anaerobias previamente aisladas del medio ambiente de acuerdo a su capacidad para reducir sulfatos en agua así como las características de su crecimiento en medio Postgate B (a diferentes valores de pH), provistas o no con combustóleo. Las cepas se obtuvieron de sedimentos del mar del Golfo de Campeche y Oaxaca (Golfo de Tehuantepéc y chimeneas hidrotermales) y de un sistema anaerobio de aguas residuales localizado en Toluca.

MATERIALES Y MÉTODOS

Las bacterias fueron almacenadas en medio API RP (Widdel and Bak, 1991) y transferidas a medio fresco cada tres meses. La biomasa fue cultivada en medio Postgate B libre de sulfatos (Widdel and Bak, 1991) ajustada a valores de pH de 5 y 7. La concentración del inóculo fue siempre del 5 % del volumen total. Se evaluó el crecimiento a través de la medición de la densidad óptica (DO) a 610 nm (absorvancia) de una dilución acuosa (1/10). Los sulfatos se midieron de acuerdo con los Standard Methods (APHA, AWWA, y WPCF, 1989). Estas mediciones se llevaron a cabo en diferentes días de el proceso. La concentración inicial de sulfatos fue de 2.17 g/l. El combustóleo empleado en este trabajo se obtuvo de la refinería de Tula (Hidalgo) y se caracterizó previamente de acuerdo con ASTM (Institute of Petroleum, 1970) en términos de su contenido de C, O, N, H y S, así como Ni, K, Na, Cu, Ca, Mg, Cl-1 y V (Longoria, 1995). El crecimiento celular en presencia de combustóleo se evaluó incorporando 1 % del combustóleo a el medio Postgate B antes de inocular la biomasa. La actividad sulfato-reductora (ASR) se calculó como sigue: ASR = g de sulfato removido/(volumen * tiempo de proceso)

(1)

La actividad específica se consideró como: Act. específica = g de sulfato removido/(DO*tiempo de proceso)

(2)

RESULTADOS Y DISCUSIONES

La caracterización físico-química del combustóleo empleado se muestra en la tabla 1. El contenido de algunos metales, como Ni, K, Na, Fe y V es bastante alta, como puede observarse. La relación C/O/N/H, así como la capacidad calorífica son parámetros extremadamente útiles al evaluar los cambios del combustóleo después del proceso de desulfuración.

Tabla 1. Características fisicoquímicas del combustóleo empleado en este trabajo.(Longoria, 1995). DETERMINACIÓN

RESULTADOS

DETERMINACIÓN

RESULTADOS

CENIZAS

0.274% PESO

NÍQUEL (Ni)

5.54 ppm

CARBÓN

84.91% PESO

POTASIO (K)

4.17 ppm

NITRÓGENO

0.37% PESO

SODIO (Na)

15.45 ppm

HIDRÓGENO

10.25% PESO

HIERRO (Fe)

4.99 ppm

OXÍGENO

0.14% PESO

COBRE (Cu)

< 1.0 ppm

AZUFRE

4.33% PESO

CALCIO (Ca)

6.82 ppm

VALOR CALORÍFICO

9.63 Kcal/g

MAGNESIO (Mg)

0.55 ppm

GRAVEDAD ESPECÍFICA

0.999

CLORUROS (Cl)

0.12 ppm

TEMP. DE IGNICIÓN

197oC

VANADIO (V)

311 ppm

El crecimiento celular se midió como el incremento en la densidad óptica (DO) de las cepas a pH 5 y 7 durante 14 días (no se muestran datos). Los niveles de biomasa más altos fueron alcanzados indistintamente a 14 días

para el pH 7 y, 5 días para el pH 5. Los niveles de biomasa (densidad óptica entre paréntesis) más altos se alcanzaron para las cepas número 12 (0.208), 22 (0.238), 17 (0.195) y 8 (0.185), siempre al quinto día. Al contrario, las cepas con mejor crecimiento celular a pH 7 fueron la 3 (0.868), 4 (0.635), 14 (0.377), 6 (0.372) y 23 (0.346), siempre al día 14. Algunas cepas mostraron remarcado desarrollo, tales como la 5, 23, 22, 8 y 7, con valores de remoción de 92.8, 87.3, 79.6, 65.0 y 61.0 % (al 14o día; pH 7). Las mismas cepas disminuyeron el sulfato inicial en cantidades tal altas como 8.63, 5.03, 6.36, 11.67 y 10.9 % (al 7o día) y 9.6, 20, 13.56, 12.5 y 14.2 (al 14o día) cuando el pH fue de 5. Las mejores cepas trabajando a pH 5 resultaron ser las cepas 9 (60.4 %), 6 (54.4 %), 12 (23.23 %) y 15 (21.43 %).

La remoción del sulfato por las 24 cepas anóxicas a pH 5 (para el 5o y 14o día) y a pH 7 (para el 7o y 14o día) se muestran en la figura 1. Como puede observarse, el porcentaje de remoción para la totalidad del grupo de cepas resultó consistentemente más alto cuando el pH del proceso fue de 7. Los valores de remoción más altos se encontraron al 7o día para la mayoría de los experimentos a pH 7, pero un comportamiento contrario fue observado cuando se trabajó a pH 5; es decir, que se presentó una mejor remoción de sulfatos al día 14, siendo menor las remociones del día 5. Este hecho implica que será más conveniente trabajar a pH 7 en el proceso industrial.

100

90

pH 5 5° día

80

pH 5 14° día pH 7 7° día pH 7 14°día

70

% de remoción

60

50

40

30

20

10

0

cepas

Fig. 1. Capacidades remoción de sulfatos de las cepas trabajadas En cuanto a la actividad sulfato reductora (figura 2), el desarrollo de las diferentes cepas anóxicas fue como sigue: a pH 5, día 5; las ASR logradas por las cepas variaron en el intervalo de 8.43 x 10-4 a 2.30 x 10-3 g de

sulfato/l * h, correspondiendo a las cepas 19 y 21, respectivamente. A pH 7, día 7; las ASR fueron tan grandes como 1.47 x10-3 a 1.2 x 10-2 g de sulfato/l * h para las cepas 17 y 5, respectivamente. Otras cepas interesantes son la 8, 14 y 24 (a pH 5) así como 8, 22 y 23 (a pH 7) porque se encuentran dentro de los mejores resultados obtenidos de actividad sulfato reductora.

0.006

0.01

0.005

0.008

0.004

0.006

0.003

0.004

0.002

0.002

0.001

0

Actividad Especifica g SO4/D.O. x·h

Actividad Volumétrica g SO4/·L-x h

0.012

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

cepas A.Vol pH 5

A.Vol pH 7

A. Esp. pH 5

A. Esp. pH 7

Fig. 2. Actividades sulfato reductoras y específicas de las cepas a pH 5 y 7

En cuanto a la actividad específica, la cual es un parámetro arbitrario para tomar en cuenta la velocidad del crecimiento celular así como las capacidades de la sulfato-reducción, la tendencia fue como sigue: Cuando el pH del proceso fue de 5 (5o día), las actividades específicas fueron 9.67 x 10-5 a 6.34 x 10-4 g de sulfato/DO * h, para las cepas 22 y 14, respectivamente. Cuando el pH del proceso fue 7 (14o día), las actividades específicas fueron 8.84 x 10-5 a 9.20 x 10-4 g de sulfato/DO * h, para las cepas 1 y 18, respectivamente. Otras cepas con potencial de aplicación son 4, 16 y 21 (a pH 5), así como 5, 9, 16 y 24 (a pH 7), pues sus actividades específicas se presentan como las más altas, en comparación con las de las demás cepas.

Las pruebas para crecimiento en presencia de combustóleo demostró que 20 de las 24 cepas fueron capaces de crecer en presencia de 1 % de combustóleo. Las cepas que no presentaron esta capacidad bajo ciertas condiciones de cultivo fueron las cepas etiquetadas como 17, 18 y 20 (procedente del reactor anaerobio, Toluca) y 19 (de sedimentos del mar, Campeche). Es interesante notar que tres de las cuatro cepas vienen del

sistema anaerobio de aguas residuales. El resto de las bacterias se aislaron de sedimentos del mar en lugares localizados cerca de características de explotación de hidrocarburos. Este hecho indica el contacto previo entre las cepas y los hidrocarburos. Se observó una fragmentación en pequeños goteos debido a la actividad bacteriana durante el cultivo en presencia de aceites pesados. Aún cuando no fue evaluada la remoción de azufre en esta prueba, es interesante remarcar la reacción bacterial a través de la presencia de combustóleo. Algunos microorganismos han demostrado producir emulsificadores, los cuales son extremadamente útiles para el proceso del hidrocarburo en general. Singh y colaboradores por ejemplo (Singh et al., 1990) reportaron la producción de bioemulsificadores por una cepa Cándida tropicalis durante la fermentación del hidrocarburo. Nuestros resultados serán tema de estudios posteriores.

RECONOCIMIENTOS

Este trabajo fue financiado por la Dirección General de Asuntos del Personal Académico, proyecto IN-100594 y el Programa Universitario del Medio Ambiente UNAM. Las cepas fueron amablemente proporcionadas por el Dr. Jorge Romero del Intituto de Ciencias del Mar y Limnología UNAM.

Tabla 2. Actividad específica de las cepas a pH 5 y 7

5° día CEPA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

pH 5 gSO4/DO 2.78E-03 1.93E-03 2.37E-03 6.48E-03 4.72E-03 4.58E-03 1.82E-03 1.73E-03 2.12E-03 1.90E-03 1.82E-03 1.56E-03 2.64E-03 4.39E-03 2.88E-03 4.91E-03 1.70E-03 5.09E-03 2.76E-03 2.27E-03 3.33E-03 1.42E-03 3.74E-03 3.06E-03

14° día h 1.12E-03 5.18E-03 2.38E-03 5.58E-04 1.30E-03 8.58E-04 8.84E-04 1.05E-03 4.21E-04 9.52E-04 1.06E-03 8.90E-04 1.40E-03 9.75E-04 8.75E-04 1.08E-03 7.47E-04 1.50E-03 8.68E-04 9.96E-04 1.34E-03 6.99E-04 1.08E-03 9.48E-04 REFERENCIAS

7° día

14° día

pH 7 gSO4/DO h 8.84E-05 1.51E-04 3.99E-04 1.94E-04 1.63E-04 2.22E-05 1.54E-04 5.73E-05 7.79E-04 3.71E-04 2.81E-04 1.07E-04 5.30E-04 2.20E-04 6.83E-04 3.38E-04 7.35E-04 2.27E-04 5.53E-04 1.22E-04 3.37E-04 1.27E-04 4.67E-04 1.30E-04 3.47E-04 8.87E-05 3.47E-04 1.13E-04 5.38E-04 2.70E-04 7.65E-04 2.08E-04 5.16E-04 7.01E-04 9.20E-04 5.79E-04 4.79E-04 1.58E-04 4.18E-04 2.39E-04 3.06E-04 1.16E-04 5.59E-04 2.20E-04 7.26E-04 3.17E-04 8.23E-04 1.56E-04

APHA, AWWA and WPCF (1989). Standard Methods para la examinación de agua y aguas residuales. 17th. Edition. Washington DC.

Longoria R: (1995), Comunicación Personal. Reporte del análisis de una muestra de combustóleo proveniente de la refinería de Tula, Hidalgo. Instituto de Investigaciones Eléctricas. México.

Singh M., V. Saini, D. Adhikari, J. Desai and V. Sista (1990) Production of bio-emulsifier by a SCP-producing strain of Cándida tropicalis during hydrocarbon fermentation. Biotechnology Letters. 12(10), 743-746.

The Institute of Petroleum (1970) IP Standards for petroleum and its products. 29th,. Edit. The Elsevier Publishing Co. United States of America.

Widdel F. and F. Bak (1991) Gram-negative mesophilic sulphate-reducing bacteria. In: The Prokaryotes: A handbook on the Biology of Bacteria. Balows, Trouper, Dworki, Harder and Schleifer (Edits). Pp 3352-3377