Evaluación de costo-eficiencia en la producción de hidrogeles de celulosa bacteriana modificados para la adsorción de metales pesados en efluentes contaminados

Abstract

Perú enfrenta un mayor estrés hídrico y contaminación por metales pesados, afectando la salud y el bienestar de las poblaciones. Exploramos la producción de hidrogeles de celulosa bacteriana modificada como material filtrante para adsorber plomo (Pb) y otros metales pesados. En el estudio, se produjeron geles de celulosa bacteriana mediante cultivo estático de Acetobacter xylinum en 25 mL de medio Hestrin-Scharm, comparando inóculos de 200 uL y 250 uL. La incubación de 72 h fue óptima por rendimiento/tiempo, con masas secas de 0,0634 ± 0,0176 g (200 uL) y 0,0695 ± 0,0025 g (250 uL), sin incrementos significativos posteriores. La oxidación TEMPO incrementó los grupos carboxilo y se validó por titulación conductimétrica, obteniéndose grados de oxidación desde 0 hasta 50 %. En adsorción batch (pH 5; 20 ppm de Pb2+; 15 mg de adsorbente), los hidrogeles TEMPO alcanzaron hasta 15 % de remoción a 60 min y 27 % a 90 min, con capacidad estimada de 22,42 mg·g-1. La desorción con EDTA 0,05 M (18 h) fue 0 % para controles y 4–6 % para TG/TS. Un análisis económico evidenció que la sonicación eleva el costo total por muestra. En conjunto, 72 horas de cultivo, oxidación TEMPO y operación a pH 5 logran desempeño medible con costos contenidos, donde la no sonicación se muestra como la opción más costo-eficiente y la sonicación como ruta de mayor desempeño con penalidad de costo.Peru faces increasing water stress and heavy metal contamination, affecting the health and well-being of local populations. To develop cost-effective solutions for this issue, this work explores the production of modified bacterial cellulose hydrogels for use as filtering materials to adsorb lead (Pb) and other metals present in contaminated water streams. In this study, bacterial cellulose gels were produced by static cultivation of Acetobacter xylinum in 25 mL of Hestrin-Schramm medium, comparing inoculum of 200 uL and 250 uL. An incubation time of 72 h was found to be optimal in terms of yield and time, with dry mass of 0.0634 ± 0.0176 g (200 μL) and 0.0695 ± 0.0025 g (250 uL), with no significant increases thereafter. TEMPO oxidation increased carboxyl groups and was validated by conductometric titration, yielding oxidation degrees ranging from 0% to 50%. In batch adsorption tests (pH 5; 20 ppm Pb2+; 15 mg adsorbent), TEMPO-oxidized hydrogels achieved up to 15% removal at 60 min and 27% at 90 min, with an estimated capacity of 22.42 mg·g-1. Desorption with 0.05 M EDTA (18 h) was 0% for controls and 4–6% for TG/TS. An economic analysis showed that sonication increased the total cost per sample. Overall, 72 h of cultivation, TEMPO oxidation, and operation at pH 5 provided measurable adsorption performance at contained costs, where the non-sonicated route proved to be the most cost-efficient, while sonication offered higher performance at a cost penalty.