Evaluación analítica de procesos de transformación biológica, fotoquímica y fotocatalítica de fármacos en agua

Resumen

Los resultados y discusión contenidos en esta Tesis pretenden, primeramente y desde un punto de vista analítico, valorar los procesos de fotodegradación solar de contaminantes en distintas matrices de agua y los procesos avanzados de oxidación (fotocatálisis mediante TiO2 y foto-Fenton) llevados a cabo utilizando radiación solar. A continuación, ese trabajo procura evaluar la potencialidad del acople de los procesos de fotocatálisis solar, en particular foto-Fenton, a sistemas de tratamiento biológico aerobio en la depuración de un agua industrial real. Los tres fármacos seleccionados fueron la flumequina, el trimetoprim y el ácido nalidíxico, los cuales se emplean tanto en medicina humana como en medicina animal. Los estudios de fotólisis directa de la flumequina y del trimetoprim, en diferentes matrices de agua (agua destilada y agua de mar sintética), fueron realizados en un simulador solar y demostraran que ambos fármacos pueden sufrir procesos de transformación cuando sometidos a radiación solar. Además se han realizado experimentos en un agua de mar simulada y en un agua desmineralizada. Se ha podido verificar que la composición de la matriz de agua afecta directamente a la cinética de degradación de estos dos compuestos. Los productos de transformación fotolítica generados fueron identificados a através del empleo de tecnicas de cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas con detección por tiempo de vuelo. En el caso de la flumequina se identificaron 14 fotoproductos generados en agua desmineralizada. En el caso del trimetoprim, se han generado 28 productos de transformación en aguas desmineralizada y 10 fotoproductos en agua de mar simulada. A continuación, se ha estudiado el empleo de los procesos avanzados de oxidación (PAO), en especial los procesos de fotocatálisis con TiO2 y foto-Fenton solares para la degradación de los fármacos modelo seleccionados, en distintas matrices de agua estudiadas. Los estudios cinéticos demostraron que la composición de la matriz del agua juega un papel fundamental en los parámetros cinéticos de degradción de estos compuestos. En particular en la degradación fotocatalítica con TiO2 del trimetoprim se han identificado, mediante LC-TOF-MS, 27 productos de transformación en ambas matrices objeto de estudio. Los estudios de degradación de la flumequina, demostraron que este compuesto puede ser satisfactoriamente eliminado a través del empleo de ambos procesos fotocatalíticos solares. Además, en total, 15 productos de transformación fueron generados mediante fotocatálisis solar. A su vez, la degradación fotocatalítica solar del ácido nalidíxico presentó eficacias distintas para cada uno de los procesos fotocatalíticos solares estudiados, en relación a la mineralización y degradación del mismo. En general, el proceso foto-Fenton fue el más efectivo para la degradación de ácido nalidíxico mismo cuando los experimentos eran llevados a cabo en una matriz con elevada concentración de sales. Los análisis mediante LC-TOF-MS han identificado 14 productos de transformación durante la fotocatálisis con TiO2 y 19 productos de transformación durante el foto-Fenton. La etapa final de este trabajo consistió en estudiar la viabilidad de emplear procesos combinados entre fotocatálisis solar y tratamiento biológico para el tratamiento de un agua industrial real proveniente de una idústria farmaceutica, conteniendo ácido nalidíxico. Se han realizado estudios iniciales de biodegradabilidad y toxicidad con la matriz de agua industrial real. Después, dos combinaciones distintas de estas tecnologías fueron estudiadas. En un primer caso, se ha estudiado el empleo de un pre-tratamiento de oxidación química (foto-Fenton) seguido de un subsecuente proceso de degradación biológica (reactor biológico de aeróbio de lecho fijo). La eficacia global de esta combinación fue de 95% de eliminación del carbono orgánico disuelto inicial, resultando que el 33% fue logrado por el tratamiento mediante foto-Fenton solar y el 62% por el tratamiento biológico. En el otro caso, se ha empleado inicialmente un proceso de degradación biológica (reactor biológico de aeróbio de lecho fijo) y, a continuación el empleo de un proceso de oxidación química (foto-Fenton). La eficacia global de la combinación entre el biotratamiento y un posterior tratamiento fotocatalítico solar presentó el 98% de eliminación del carbono orgánico disuelto inicial, resultando que el 96% fue logrado por el tratamiento biológico con un biorreactor de lecho fijo y el 2% por el proceso foto-Fenton. Los análisis mediante LC-TOF-MS del agua industrial real permitieron identificar algunos se sus contaminantes iniciales, en general derivados de la producción del ácido nalidíxico. Durante ambas combinaciones de procesos, se han determinado 12 productos de transformación generados durante el proceso foto-Fenton y 2 productos de transformación durante el biotratamiento.