• 1   TÉCNICAS AVANZADAS: LOS REACTORES.
• 2   REACTORES QUÍMICOS.
• 3   LOS REACTORES BIOLÓGICOS DESNITRIFICANTES:
• 4   LA SOLUCIÓN:

TÉCNICAS AVANZADAS: LOS REACTORES.

En esta última entrega, vamos a revisar las tendencias más complejas de eliminación de sustancias nitrogenadas, especialmente del nitrato.
Los reactores… Dicho así en plan frívolo, asusta un poco: aunque existen reactores nucleares, reactores para cohetes y aviones a reacción, no son más que máquinas basadas en una cámara; cavidad en la cual se producen una serie de reacciones de orden biológico o químico. En acuariofilia moderna, utilizamos reactores para muy diversos usos. Por ejemplo en procesos de desinfección, hacemos reaccionar el gas ozono con el agua del acuario, introduciendo este gas mediante un ventury en un cilindro (o reactor) que contiene agua del acuario en circulación. De esta forma obtenemos una reacción química oxidativa con este reactor de ozono. Otro tipo de reatores, son usados para incrementar el nivel de calcio del arrecife, mezclando hidróxido cálcico con agua destilada para elaborar de forma automática el llamado “Kalwasser” o agua de calcio, o bien haciendo reaccionar gas CO2 con hidrocarbonato para producir bicarbonato cálcico.

Los reactores que nos interesan hoy son los referentes a las sustancias nitrogenadas. Realmente podemos eliminar o controlar químicamente todas las sustancias indeseadas de nuestro acuario mediante reactores, que pueden ser divididos en dos grupos: Los reactores químicos y los reactores biológicos.
Ejemplos de reactores:
Reactor de Kalwasser Reactor de CO2

REACTORES QUÍMICOS.

Estos reactores contienen en su interior componentes químicos intercambiables que reaccionan con el agua a su paso para obtener absorciones o adsorciones que extraen del agua las sustancias nitrogenadas. Los productos químicos introducidos en estos reactores son de varios tipos: Resinas simples, zeolitas, complejos polímeros, carbones activados, oxido de aluminio… etc. Estos productos, aunque algunos son regenerables, son consumibles que necesitan con el tiempo ser sustituidos.
Las 3 claves del éxito en el uso de estas sencillas máquinas son las siguientes:
·Agua limpia: La estructura micro-porosa de estos materiales le confiere una gran capacidad de adsorción. Sin embargo, las partículas en suspensión atrapadas por estos poros, pueden anegarlos neutralizando su efecto. En consecuencia, debemos pre-filtrar mecánicamente el agua entes de pasar por el reactor.
·Presión: Está demostrado que cierta cantidad de presión producida por la bomba de alimentación dentro del reactor nos da dos ventajas:
oReparto homogéneo del agua por toda la superficie filtrante.
oAumento de la capacidad de adsorción.
·Flujo: Cuanto más tiempo esté en contacto la resina con el agua, más exhaustiva es la adsorción, y más eficaz es el material. Bastará con que pase el volumen total del tanque cada 3-4 horas.
Reactor químico
Los filtros exteriores de botella pueden fácilmente actuar como reactores químicos si observamos estas claves con atención. No obstante, existen en el mercado modelos específicos para esta tarea tan simple que resultan más baratos. El resultado, es que podemos eliminar de forma segura el amoniaco, nitrito, nitrato, fosfato, sulfato, metales pesados, orgánicos, y otros componentes de forma segura. Estos reactores pueden también servir en el orden biológico, si introducimos en él materiales capaces de albergar bacterias heterótrofas metabolizantes del nitrato.

LOS REACTORES BIOLÓGICOS DESNITRIFICANTES:

Finalmente, tenemos ciertos reactores basados en el cultivo de ciertas bacterias en su interior capaces mediante distintos métodos. de metabolizar el nitrato. Estos reactores se dividen en dos tipos: los automáticos y los manuales. Los automáticos permiten la gestión del flujo del agua del reactor en función del potencial redox dentro del reactor, eliminando prácticamente las labores de control y mantenimiento del aparato, mientras que en los de tipo manual, maduran de forma natural y son controlados periódicamente mediante reactivos químicos.

Cuando el nitrato se metaboliza por las bacterias heterotróficas por ejemplo, Pseudomonas spec., el carbono orgánico es usado como fuente de energía para el metabolismo de las bacterias. Como material de deshecho del nitrato y el alimento orgánico se producen gas nitrógeno (N2), dióxido de carbono CO2, agua y biomasa bacterial.

Los productos finales de estas reacciones son inocuos. El nitrato es usado por las bacterias que pueblan el reactor como fuente de oxígeno para respirar. El carbono orgánico (componente esencial de las sustancias nitrogenadas del arrecife) se usa como fuente de energía para las bacterias, ya que son heterotróficas. No obstante, existen también bacterias autotróficas denitrificantes que utilizan por ejemplo hidrógeno como fuente de energía:

2 NO3 + 5 H2N2 + 4 H2O + 2 OH-
Nitrato + gas hidrógeno gas nitrógeno+ agua + iones hidrófilo

Los iones OH- que se forman reaccionan con el gas CO2 disuelto en el acuario, resultando bicarbonato que ayuda a estabilizar la alcalinidad y el valor pH en nuestro arrecife.

Es importante señalar que estas reacciones bacterianas se producen bajo un entorno oxidativo concreto, ya que con exceso de oxígeno, (por encima de -50 Mv de potencial redox) ciertas bacterias facultativas se desarrollan, respirando el oxígeno del nitrato y produciendo un fenómeno de desnitrificación bacteriana:

2 N03 - 02 à 2NO2

Esta situación podría aumentar la concentración de Nitrito en el arrecife, que sería detectado a la salida de reactor. Por el contrario, la carencia absoluta de oxígeno que produce un entorno completamente anaerobio (menos de -250 Mv) Pueden desarrollarse otro tipo de bacterias que producen ácido sufhídrico (H2S), gas metano, y otras sustancias tóxicas, en un fenómeno llamado putrefacción. Este problema es fácil de detectar, ya que el tubo de salida del reactor despediría un fuerte olor. Los riesgos de que se produzcan estos fenómenos tan radicales son realmente pequeños. Además, en caso de un severo descuido producido en máquinas de control manual, (en las automáticas es imposible) la toxicidad del nitrito en agua salada es muy baja en comparación con el agua dulce, mientras que los gases metano y ácido sulfhídrico son extremadamente volátiles y su presencia como gas disuelto en el agua es mínima. Estos riesgos se solucionan fácilmente regulando el caudal de los reactores manuales. La dosificación de la fuente de energía de las bacterias puede ser suministrada manualmente en forma de pastillas (bio-nip, por ejemplo) o líquidos (ciertos alcoholes como el vodka) o bien, introducir anualmente un material existente en el mercado basado en Polihidróxibuitrato o PHB, llamado “deniballs” de descomposición lenta en un formato biodegradable.

Otro tipo de reactor basado en otro tipo de bacterias que metabolizan azufre para reducir nitrato debe ser desenmascarado, declarando su inutilidad. Aunque ya se connoció su funcionamiento hace algunos años en Francia, su principio activo no ha sido desvelado con detalle. Aquí veremos las reacciones que nos llevan a esta conclusión.

“acido sulfúrico versus nitrato”

En el metabolismo de Thiobactilus denitrificans, el sulfuro y el nitrato reaccionan hacia gas nitrógeno y ácido sulfúrico. Debido a esta reacción, las bacterias ganan energía, que pueden usar para reducir el CO2 en sustancias orgánicas. Estas bacterias son autotróficas. Las bacterias, sin embargo, no sólo utilizan el nitrato para la formación del ácido sulfúrico. El agua, en cuanto entra el reactor sulfúrico se satura de oxígeno. Esto es utilizado también por las bacterias en primer lugar:

2S + 2H2O + 3 O2 à 2H2SO4

Azufre + agua + oxígeno à Acido Sulfhídrico

El ácido sulfúrico se forma a partir del sulfuro y el oxigeno.
Este ácido sulfúrico se produce sin el uso del nitrato. Sólo si el oxígeno disuelto del agua del acuario se agota completamente, las bacterias empiezan a reducir el nitrato:

2NO3 + 2S 2H2O à N2 + 2H2SO4 + 2e

Nitrato + Azufre + Agua à nitrógeno gas + Acido sulfúrico + 2 electrones

Además del gas nitrógeno, se forman grandes cantidades de ácido sulfúrico. Esta reacción tiene lugar también en la naturaleza. Aquí, la concentración del ácido sulfúrico puede alcanzar hasta 0.1N (pH de 1.0) sin matar a las bacterias. Este proceso se usa incluso en la industria: las bacterias se utilizan para disolver metales en minerales naturales.

Los resultados de la formación del ácido sulfúrico en el acuario son:
- Incremento de la concentración del sulfato en el agua del acuario. El balance de iones entre las diferentes tipos de iones se transforma en sulfato
- Destrucción del sistema tampón; la alcalinidad se usa y disminuye:

H2SO4 + 2HCO3- à SO42- + 2H2O + 2

Acido Sulfúrico + hidrocarbonato à Sulfato + Agua + dióxido de Carbono

El ácido sulfúrico reacciona con el bicarbonato disuelto en el agua, lo cual es importante para el sistema tampón en el agua y es utilizado por los corales durante la formación del carbonato cálcico. El resultado es sulfato, agua y CO2. Éste último, acidifica el agua y mejora el crecimiento de las algas filamentosas.

Algunas personas intentan evitar estas desventajas usando un filtro de carbonato cálcico conectado tras el reactor de sulfuro. ¿Qué pasa allí?

El ácido sulfúrico reacciona con el carbonato cálcico. El resultado es sulfato cálcico (yeso) y CO2.

H2SO4 + 2HCO3- à CaSO42- + 2H2O+ 2CO2

Acido Sulfúrico+ hidrocarbonato à Sulfato Cálcico + Agua+ dióxido de Carbon
(Yeso)

Mientras el CO2 reaccionará con el carbonato cálcico – lo cual es una reacción positiva que tambien sucede en un reactor de calcio – una parte del yeso precipita, el resto es vertido en el acuario. Aquí, el yeso causa un gran incremento de la concentración de calcio, 800 mg/l es un valor típicamente observado.

Esto suena muy positivo a primera vista. Sin embargo, los corales no utilizan el sulfato cálcico para la formación de su esqueleto, si no el carbonato cálcico. Este descenso crea un déficit de hidrocarbonato en el acuario. La alcalinidad o dureza carbonato se reduce al ser precipitada. Esto se puede observar en los altos niveles de Calcio. Con 800 mg/l de calcio, y de acuerdo con la ley química de balances de masa, sólo una dureza de carbonato baja puede existir (aproximadamente 3º KH o 1 mmol de alcalinidad). La adición de carbonato de hidrógeno causará la precipitación de Carbonato cálcico – y la formación de carbonato cálcico – y la formación de ácido sulfúrico!!! Así que, no podemos incrementar la alcalinidad con aditivos!


CaSO42- +2H2O+ 2CO2 à Ca (HCO3)2 + H2SO4 à Ca CO3 + H2O + CO2 + H2SO4

El ácido sulfúrico vuelve al sistema! La concentración de sulfato se incrementa. En lo que respecta a la producción de ácido sulfúrico no solamente se utiliza el nitrato (mirar arriba), si no que se produce mucho más ácido sulfúrico mientras el nitrato se reduce.

Podemos intentar diluir el ácido sulfúrico y el cambio del balance de iones con cambios de agua frecuentes, pero atención, qué estamos haciendo aquí? Los cambios frecuentes de agua detendrán la acumulación de nitrato, incluso sin reactor de sulfuro y ácido sulfúrico.

Podemos también precipitar el sulfato añadiendo cloruro de Bario. En este caso el ácido hidroclórico se acumula en el acuario. Esto se puede neutralizar añadiendo carbonato de sodio. En este caso se producen cloruro de sodio y bicarbonato. La composición iónica que se produce por el cloruro de sodio puede ser equilibrada con el próximo cambio de agua. O podemos vender también nuestro acuario y dirigir un laboratorio de química!.

LA SOLUCIÓN:

Si el filtro de desnitrificación se hace funcionar con carbono orgánico, todo el problema se evita. La reacción crea incluso bicarbonatos (HCO3). Esto estabiliza la alcalinidad y no la destruirá. El balance de iones no se cambiará. Nitrarreductor
La elección del mejor sistema de desnitrificación, depende de cada usuario. En principio, acuarios densamente poblados con más de 300 litros de capacidad con un alto metabolismo, rentabilizarían fácilmente el uso de un reactor de nitrato. Sin embargo, en acuarios de inferior tamaño y metabolismo sería más fácil y práctico el uso de reactores químicos. Otros aficionados consideran innecesario bajar la tasa de N03 por debajo de 20 Mg/L, pudiendo controlarla con un mantenimiento, biomasa y equipamiento correctos. La tasa de Nitrato exigida, depende de lo delicados que sean nuestros invertebrados o peces de cría en el acuario.

Autor: Alejandro Soria.