Desinfección de aguas utilizando radiación ultravioleta (UV): estudio de la cinética de fotoinactivación y reparación a oscuras

Abstract

Los procesos tradicionales para la desinfección de aguas emplean derivados del cloro y tienen un uso cada vez más restringido. El empleo de radiación ultravioleta (UV) presenta potencialidades pero su aplicación enfrenta problemas debido a la falta de capacidad residual para prevenir recontaminaciones. El efecto germicida de la radiación UV se basa en el daño sobre el ADN pero, producto de la evolución, los microorganismos han desarrollado mecanismos como la foto-reparación y la reparación a oscuras, fenómenos que deben incluirse en las expresiones cinéticas necesarias para diseñar equipos eficientes. Para modelar la cinética completa del proceso se diseñó, construyó y modeló un fotorreactor anular batch escala laboratorio iluminado con una fuente UV germicida y se empleó Escherichia coli como modelo. Además, se seleccionaron y adaptaron diferentes técnicas de Biología Molecular (PCR) para obtener evidencias a nivel molecular de los fenómenos ocurrentes. Se obtuvo una expresión que vincula la velocidad de reacción con la concentración microbiana, el nivel de irradiación y parámetros cinéticos del sistema. La condición de mezcla perfecta fue verificada empleando estudios de tiempos de residencia con trazadores y para el campo radiante se empleó un modelo de emisión volumétrica. El análisis comparativo de los resultados experimentales con las predicciones del modelo se desarrolló combinando la verificación de hipótesis “cualitativas” -estudios de ADN- con análisis numérico iterativo para obtener los parámetros cinéticos, empleando un estimador no-lineal tipo Levenberg-Marquardt, logrando disponer finalmente de un modelo cinético completo, verificado cuali-cuantitativamente, y que representa detalladamente los fenómenos que intervienen en el proceso.

Conventional processes for water disinfection use chlorine and they have an increasingly restricted use. Ultraviolet radiation (UV) presents potentialities but its application still faces problems due to the lack of residual capacity to prevent re-contaminations. The germicidal effect of UV is based on the damage on the DNA but, as a consequence of the evolution, microorganisms have developed mechanisms such as photo-repair and dark repair which have to be included in the kinetic expressions needed for the design of efficient equipments. In order to model the complete kinetics of the process we design, construct and model a batch annular photoreactor -scale laboratory- illuminated with a germicidal UV source and we used Escherichia coli as a model. In addition, we select and adapt different techniques of Molecular Biology (PCR) in order to obtain evidences, at molecular level, of the phenomena that occur. We obtained an expression which relates the reaction rate with the concentration of microorganisms, the irradiation level and kinetic parameters of the system. The condition of perfect mixing was carefully verified employing residence time studies with tracers and for the radiant field we employed a model of volumetric emission for the source (lamp). The comparative analysis of experimental results with model’s predictions was developed combining the verification of “qualitative” hypothesis with quantitative iterative numerical analysis in order to obtain the kinetic parameters, employing a Levenberg-Marquardt non linear estimator, achieving finally a complete kinetic model which represents the phenomena that take part in the overall process.