Biodegradacion-anaerobia-de-desechos-grasos-en-la-industria-agroalimentaria

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AUTONOMA
PROGRAMA DE MAESTRIA y DOCTORADO EN INGENIERIA
BIODEGRADACION ANAEROBIA DE DESECHOS GRASOS
DE LA INDUSTRIA AGRO - ALIMENTARIA
T E s I s
QUE PARA OBTENER El GRADO ACADEMICO DE
MAESTRO EN INGENIERIA [AMBIENTAL]
P R E S E N T A
ING. TEOFILO DAVID MARTINEZ SOSA
DIRECTOR DE TESIS: DR. GERMAN BUITRON MENDEZ
MEXICO, D.F. 2005
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
La presente investigación ha sido desarrollada en colaboraci ón entre el Laboratono de
Blotecnología del Ambiente (LBE) de Instituto Nacional de la Investigación Agrónoma
(INRA). en Narbonne f'rancia baJo la asesona del Dr . Michet Tornjos y el Instituto de
Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de MéxIco bajo la asesoría del Dr.
Germán BUitrón Méndez
JURADO
PRESIDENTE
VOCAL
SECRETARIO
SUPLENTE
SUPLENTE
DIRECTOR DE TESIS
DR GERMAN BUITRON
DRA GABRIELA MOELLER
DR ALfONSO DURAN
DR GERMÁN BUITRON
DR ADALBERTO NOYOLA
DR MICHEL TORRIJOS
AGR.ADECIM IE N TOS
A la UNAM por darme mi formación académica, a la Escuela
Nacional Preparatoria (ENP 9), la Facultad de Química y
El Posgrado en Ingemería.
Al laboratorio de Blotecnología del Ambiente [LBE] del Instituto'
Nacional de la Investigación Agrónoma [1 NR.A] en Narbonne,
Francia, por haber dado todas las facilid ades para la realización
de esta Tesrs .
Al Insti tuto de Ingemería por haberme abierto sus puertas para
la reahzació n de este proyecto .
Al CONACYf por el ñnancrarmento otorgado para realizar mis
estudios de posg rado .
AGR.ADECIMIENTOS
A mis papás , a mis hermanas, y a mis ahora tres sobnnos qUiero decirles que aunque buscara , no
encontraría las palabras para decirles: Gracias todo este t rabaja, mi formación de Ingemero
químico no hubiera sido po sible em el mvaluable apoyo, cariño y comprensión de todos ustedes.
A rrne abuelos : Arturo y Glona" y de forma muy especial a mis querldíslmos t íos Arturo y
Eduard ma+ por haberme dado mucho el cariño , afecto y apoyo justo en el momento exacto.
A la familia Martínez Magdalena por su afecto, comprensión y solidaridad especialmente a mi tío
Coqui por su apoyo mcondtcronal , brindarme su amistad y comparti r tantas vivencias .
A mi querido Maes tro y Amigo Vicente Turrubiarte Morales el habe r cons t ruido los pilotes que
ahora soportan esta co nst rucc ión y por sus mterrnmables e Interesant es charlas.
A todos rrus amigos y cuates por las interminables fiestas y vivencias a Netzar, Enna, Orlando ,
Kanna De Beauvolr, Patricia , Abraharn, Olmo , Oscarfn, Hugo, Raúl, Leonardo, Omar, Daniel,
Osear. Alonso , Isaac, Juarnto , Julio , Ezequiel, Ttaloc, Lalo, Víctor H.. . .a todos ustedes les
agradezco el tiempo compartido, su amistad , car iño y compresión. Adelante mIs queridos
amigos .
A rrus compañeros de l Instituto de Ingemería de la UNAM: Marlbel , Leonardo, Alma, Elia, Sllvana
y Jaime por todo el apoyo recibrdo durante este tiempo y por brindarme su arnrstad.
Especialmente a Kanna De Beauvolr por ser mi amiga mcondrcronal además de todo el mvaluable
apoyo en todo momento y a Glona Moreno por brindarme su amistad.
Además, debo agradecer de forma muy especial a toda la gente que me apoyo de forma
invaluable durante el t iempo fuera de México para poder realizar esta Tesis .
A mi abuela española Maria Hurtado, por ser uno de rms mejores ejemplos a segUir de
cómo se debe enfrentar la Vida y por todo su mcondrcional apoyo durante el tiempo en
francra . Sm ella hubiera Sido caei ImpOSible terminar este trabaja. Abuela, MUCHAS
GRACIAS. Además , agradezco a su familia por haberme hecho sentir como en casa .
Al club de habla Hispana del LBE del INRA de Narbonne por todo el apoyo mientras se
desarrollo este trabaja. GRACIAS: Coneuehto, Diana, Arodí, Raúl, Gustavo y GUlllermlna.
A Michel Tornjoe pour son accueil chaleureux, pour toute son temps, pour tout l'appUl,
MERCI BEAUCOUP.
Je remercie également toutes les permanents du LBE, essenbellement : P. 50usble , pour
t out e son appUl dans le mamputatrons rnais sur toutes les choses pour son grand
patlente , ausei N. Bernet, P. Bufflere, JP. 5teyer, A. Batbmelli et P. Dabert.
A toutes les staglalres et doctorats du LBE: Claire Lyon, Anne Laure, 5ylvaln, Carolme,
Altee, Ahx, Juhen, Jonathan, Vlrglnle, Marre, Lucy, Laurent, Ocüle, DaJalel et Claire . Merci
pour íaire de mon stage a Narbonne, le rnerlleur stage de toute ma vie .
Un agradecimiento muy especial a los miembros del Jurado
Al Dr . Michel Tornjoe Jefe del equipo de Transferencia de Tecnología del Laboratono de
Blotecnología del Ambiente (LBE) del lnstrtuto Nacional de la Investigación Agrónoma (INRA) en
Narbonne francia por su amable recibimiento, por su apoyo constante , por su dispOnibilidad en
bempo y sus grandes contribuciones para la fmahzaci ón de este proyecto.
Al Dr. Germán BUitrón coordinador del Departamento de Bloprocesos Ambientales del Instituto
de Ingeniería de la UNAM por haber dirigido el tema en general y por sus contribuciones para el
buen término del mismo.
Al Dr. Alfonso Durán profesor de la facultad de Química de la UNAM por el tiempo invertido
desde el imcro del proyecto, su dispOnibilidad constante y las valiosas aportaciones hechas al
mismo.
A la Dra. Gabnela Moeller subcordinadora del Departamento de Tratamiento y Calidad del Agua
del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA) por su gran dispOnibilidad para supervisar
el avance de este trabajo desde su mrcio , además de sus valiosas aportaCiones.
Al Dr . Adalberto Noyola Robles subdirector del Instituto de Ingeniería de la UNAM por sus
valiosas aportaciones al documento final.
La úmca batalla que se pierde en la Vida es en aquella donde
no hemos aprendido absolutamente nada
IN DI C E
R E S U M E N ----------------------------- -- -------------- -------- ---- ------ ------------------------------- I
A B S T R A C T --- --------------------------------- ---- -------------- -------- ---------------- -- ------------ 2
I N T R O D U C C i Ó N---- ----------- ---------------- --- -------- ----------- -- -------- -- ------------------ 3
CAPíTULO l. ANTECEDENTES ------------- -- ------ -- ------------ -------------- ------------- --------------- 4
I . I los desechos grasos de la industria ag ro-aliment arla ------------- --- -- -- --------------------- 4
I . I . I Generalidades sobre las g rasa -------------- ---------- -------------------------------------- 4
I .2 Tipos de tratamiento aplicados a 105 desechos grasos ------------ --------- ---------- ----- --- 7
I .2 . I El re uso de la materia ------------- --------- ------- --- --------- ------------ ------------------- 7
I .2.2 La recuperaci ón de energ ía por mcmeraci ón --- - -- -- - ---- ---------------------- ----------- 7
I .2 .3 los tratamientos químicos --------- ------- ---- ---------------- ----------------------------- -- 8
I .2 .4 El tratamiento por vía biológica -- ----------------- ------- --- --- ---- -- -- --------------------- 8
I .3 La degradaCión anaerobia ------------ ------- ----------- ---- -- ------------- -- -------- --------- ---- 9
I .3 . I HidrólisIs y aCldogénesls ------- -- ----- --- ------------ --- -- ------------------------------- - I O
I .3. 2 Acetogénesls--- ---------- ----- --- --- -- --------------- --- -- -- --- -------- --- ------------------ I I
I .3 .3 Me tanoqéneeie -- ---------------------------------------- ------- -- ----- ------- -- ----- ------ -- I I
I .4 Experiencias en el tratamiento anaerobio de desechos grasos provenientes de la industria
agro-alimentaria --- --- ------------- --- --------- -- ------ ---------- --- ------------ ------ -- --------- ------- I I
I .5 Reactores disconti nuos secuenciales --- --------------- --- -- ------- -- -- -- --- ------- ------------ I 4
I .5. I Etapas del AnSBR --------------- -------- -- --- -- -------------------- ------------------ ---- -- I 4
I .5.2 ExperienCias con 105 AnSBR's----- ----------- ----- ----- ---------------------------------- I G
O B J E T I V O S -------------------------------- - ---- ----------------------~------------ ---------------- I 7
CAPíTULO 11 . METODOLOGíA ---- ------- -- -------------------------------~------------------------------ 18
2. I Int ro ducció n-- ------ ------------------------- --- --------- ------ --- ----- ------ -- ----- -- --------- -- -- I 8
2.2 Modo de funcro narruento -- -- - - ---- -- ------- -- ----- - --- -- -- -- - -- -- --------------------- -- -- ------ I 8
2 .3 lnstalacr ón en el laboratorlo--- ----------- ---- --------------------- ------------------------------ 18
2.4 Operación de 105 reactores- ----- -- ------- -- ----- ------------- --------- ----- ---- ---------------- I 9
2 .4 . I Trata miento anaerobio de 105 aceites vegetales------------------- -- -- -------- --------- 20
2.4.2 Tratamiento anaerobio de 105 desechos grasos de la industria de las carnes frías y
de la indust ria del queso------- -------------- ---- --- ------- -- -- ------ ----------- -- --- -------- ------ 2 I
2.5 An áhsre y cálculos -- --- ----- -- -------------------------- -------- ----- -- ---- -------- --------------- 22
2 .5 . I Demanda química de oXigeno -------------------------------- --- ------ --------------------- 22
2 .5 .2 ÁCidos grasos volát iles ------------- ------------- -- --------------- -- ---------------- --- ---- 23
2 .5.3 Determinación de la materi a en suspenslón-------------------- --- --------------- --- ----- 23
2 .5.4 Determinación del nit rógeno amoniacal (NH4 +) ----- --------------- - - -------------------- 25
2.5.5 Determinación de la compos.cr ón de blogás -------- --------------------- ----- --- --- ---- 25
2 .5 .G Determinación de las activrdadee máximas----------- --------- ------------------- ---- ---- 2G
2 .5 .7 Cálculo del volumen t otal de blogás ---- --- ~- -- -- - --- --- -- -- -- - -- ---- - --- ---- --------- ---- 2G
2 .5.8 Cálculo de la prodUCCión específica de metano----- -- ---------- ----- ------------------- 2G
CAPíTULO 111. RESULTADOS y DISCUSiÓN -------- -------- ------------------------ -------- ----------- 27
3 . I lntroduccr ón---------------------- - ----------- -- -- -- - -- - -- ------------ --------- - ------------------- 27
3 .2 Tratamiento anaerobio de 105 aceit es vegeta les -- --------- ----- -- -------- -- --- -- -------- ---- 27
3 .2. I Caractenzaci ón del desecho a t ratar --------- ---------------------- -- ------------------- 27
3 .2.2 Arranque del reactor --------------- ------ -- ---------- -- ---------- -- ----- -- --------- ------- 28
3 .2 .3 Curvas de producción de gas para diferentes mezclas ETOH-AV ---------- --- -------- 29
3.2.4 Velocidades máximas de producción de gas durante la operación del reactor y
actividad específica ------------------- -------------------------------- -- ------------------------- --- 30
3 .2 .5 Volumen de metano durante la operaCión del reactor. ------------- -- ------- ------- -- -- 3 I
3.2.6 Demanda química de oxígeno y AGV's ------------------------- ----------------- ---------- 32
3 .2 .7 Matena en suspe nsión ------- --------------------------- ------- --------------------------- 33
3.2 .8 Nitrógeno arnoruacal y libre ---------- ------------------- -------- --- -- ---------------------- 34
3.2 .9 DIscusión de resultados y comentanos --------------------------------------------- ---- - 35
3 .3 Tratamiento anaerob io de los desechos grasos de la Industna de las carnes frías y de la
Industna del queso-- ---------- --- --------- ---------------------------------- --------------------------- 36
3.3 . I Caractenzaci ón de la alimentaclón---------------------- -- --- -- ---- ---- ------- ------------ 36
3 .3.2 Arranque de los reactores -----------~-----------------------------------------------------37
3 .3 .3 Cargas volumétncas aplicadas ---------------------- ------------ --------------------------- 38
3 .3.4 Curvas de prodUCCión de gas-------------------------------- --- -- ------------------------ 39
3 .3 .5 ProdUCCión específica de metano y acnvidacíes máximas ----------------------------- 40
3 .3 .6 Demanda química de oxígeno y AGV's---------------------------- ------------------------ 4 I
3 .3 .7 Materia en suspenSión dentro del reactor. ----------------- --- --------------------- ---- 43
3.3 .8 Concentraciones de nitrógeno y pH ------------------------------------------------------ 45
3.3 .9 Cinéticas de degradaCión ----------- ------------------------------------------------------- 47
3.3. J O fvoluci ón de las curvas de prodUCCión en función de la carga aplicada ------------49
3 .3. J I Variaciones en la carga aplicada en los AnSBR's--- --- ----------- -------------- --- -- - 50
3.3. I 2 Comentanos sobre el tratamiento de los desechos de la mduetria de las carnes
frías y de la mdustr ta del queso -------------------------------- ------- --- ----- ------------------- - 5 I
CONCLUSIONES -------------------------- ------------ ----------------------- -- -- ---------------------- --- 53
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ---------- -- ------------------------- -- -------- ------------------------- 55
A B R E V I A T U R A S--- ---------------------------------------------- --- -- ----- --- -------------------- 58
ANEXO l . fvoluci ón de parámetros durante el tratamiento anaerobio de aceites vegetales y
etanol------------------------------------------- ------------------------------ ----------------------- ------- 59
ANEXO 2 . fvoluci ón de parámetros en AnSBR que trató desechos grasos de la mduetna de las
carnes frías---------------------------------------- ------------------------------ --------------------------- 63
ANEXO 3 . fvolución de parámetros en AnSBR que t rató desechos grasos de la mdust rta del
queso -- --- --------------- -------- -- ------------- ----- ----- ------- ----------------------- -------------------- 68
INDICE DE TABLAS
Tabla l. 1 Cornpoercrón aproximada de algunos aceites y grasas----- ----------------------------- 6
Tabla 2 .1 Cornposrcr ón de la alimentación en las diferentes etapas de operación del An5BR- 20
Tabla 3 . / Compoeicr ón de la tierra contaminada con aceites vegetales -------------- 27
Tabla 3 .2 Compoeicrón de los desechos CF e 10- - - ------- - - - - -- -- - 36
Tabla 3 .3 Parámetros operacionales del reactor 2 38
Tabla 3.4 Parámetros operacionales del reactor 3 39
Tabla 3 .5 Características del efluente durante la operación del reactor 2 44
Tabla 3.G TRH Y % de depuración durante la operación del reactor 2----------44
Tabla 3 .7 Características del efluente durante la operación del reactor 3------------- 45
Tabla 3 .8. TRH Y % de depuraCión en el reactor 3------------- ----------------- 45
INDICE DE FIGURAS
Flg . l . I Etapas de la degradación anaerobla----------------------------------- 10
Flg . 1.2 Fases de un An5BR---- --------15
Flg. 2 .1 Esquema de la mstalaci ón en el laboratono --- ---- 19
Flg . 3./ Dietnbuci ón de los AGCL--- ------ ---------- 28
Flg. 3 .2 Velocidad de producción de gas y pH durante la degradaCión anaerobia de ETOH - 29
Flg. 3.3 Curvas de gas en un An5BR con ETOH-AV a diferentes proporciones de AV---- 29
Flg . 3.4 VPG's y actividad específica durante la operación del An5BR---------- 30
Flg . 3 .5 Volumen de metano y % de la DOOM durante la operación del An5BR 32
Flg . 3.G DOOs y AGV's al final de cada ciclo durante la operación del An5BR------- 33
Flg. 3 .7 55T, 55Vy 55F durante la operación del An5BR------------- ---- 34
Flg . 3 .8 NH4 Y alfinal de la degradaCión de ETOH-TDA en un An5BR---------- 34
Flg . 3 .9 Drstnbucr ón de los AGCL------------------- ------------------------- 37
Flg . 3 . 10 Actividades rn áxrrnas durante el penodo de arranque---------------------------- 38
Flg . 3 .1 / fvoluci ón de la velocidad de prodUCCión de gas durante una semana tipo. ---- 40
Flg. 3 .12 Actividades rnáxirnae y producción específica de metano en el reactor 2----- - 41
Flg. 3 . /3 Actividades rn áxrrnae y producción específica de metano en el reactor 3 ------- 41
Flg. 3.14 D005 y AGV's al final de la etapa de reacción durante la operación del reactor 2 . 42
Flg . 3 . I 5 D005 y AGV's al final de la etapa de reacción durante la operaCión del reactor 3. 42
Flg . 3 . I G 55T Y 55V dentro de l reactor 2---- ---------------------------------- 43
Flg . 3.17 55T Y 55V dentro del reactor 3------------------------------------------ 44
Flg. 3.18 Concentración en nit rógeno y pH al final de la etapa de reacci ón en el reactor 2--- 46
Flg . 3 . /9 Concentración en nitrógeno y pH al final de la etapa de reacción en el reactor 3- 46
Flg . 3 .20 Cinéticas de degradaCión del desecho CF------------------------------------------------ 47
Flg . 3.21 Cinéticas de degradaCión del desecho 10 -------- ------------------------------------ 48
Flg . 3 .22 Avance de la reacción para los desechos CF e 10----------------------------------------- 49
Flg. 3 .23 Curvas de gas a diferentes cargas aplicadas para el desecho CF----------------------- 49
Flg . 3 .24 Curvas de gas a diferentes cargas aplicadas para el desecho 10 ---------~------------- 50
Flg . 3 .2 5 Variaciones en la CVA en el reactor 2 ------------------------------------------------------- 51
Flg . 3 .2G Vanaciones en la CVA en el reactor 3-------------------------------------------------------- 51
RESUMEN
RESUMEN
Actualmente los desechos grasos de la industria agro-alimentarla presentan un
problema, la demanda química de oxígeno (DOO) es elevada y las vías de tratamiento
son poco eficientes. La mcineraci ón así como los tratamientos químiCOS son costosos,
los procesos biológicos aerobios presentan problemas de crecuruento exceswo de la
biomaea así como altos costos derivados de las necesidades energéticas, por otra
parte los procesos anaerobios han Sido los más utilizados en el tratamiento de este tipO
de efluentes así esta investigación tuvo por objetivo evaluar la aplicaCión de un proceso
discontinuo anaerobio para el tratamiento de desechos grasos provenientes de la
industria agro-alimentarla.
En particular se estudió el tratamiento anaerobio de tres desechos grasos en reactores
discontinuos anaerobios [AnSBR], los desechos fueron : (1) Tier ras decolorantes
contaminadas con aceites vegetales, un desecho del proceso de decoloración del
aceite de girasol, (2) grasas de la industria de las carnes frías y (3) grasas de la
Indust ria del queso. Los reactores utilizados fueron Inoculados con lodos anaerobros de
la salida de un reactor discontinuo que trataba vinazas de destilerías, la temperatura de
operación fue de 35 "C .
El tratamiento de los aceites vegetales fue estudiado con la adici ón de un ca-sustrato
(etanol) . A un reactor discontinuo mrcratmente alimentado sólo con etanol se agregaron
cant idades conocidae de AV, manteniendo constante la cantidad de etanol. El
eqUivalente en metano de la DOO alimentada disminUYó en funci ón a la cantidad de tierra
agregada , indicando que la DOO alimentada no era necesariamente degradada y una
pOSible adsorción de los aceites vegetales sobre los lodos. La experimentación fue
interrumpida a los I 33 días de operación debido a una alta concentraci ón de áCidos
grasos volátiles al final del Ciclo que acidifrcaron el reactor.
Los reactores que trataron los desechos de las carnes frías y de la industria del queso,
presentaron buenas eftciencias de remoci ón, las cargas máxrmas aplicadas después de
150 días de operación fueron de 2 .b g SV/L.d ó 0.20 g SV/g SSV.d y de I .b g
SV/L.d ó 0 .125 g SV/g SSV.d respect ivament e . Las efrcrencias de remoción de
sólidos totales volátiles fueron mayores al 95 % y la producCión de metano fue de
alrededor de I L CHJg SV alimentado para ambos desechos. La DOO soluble al final de
cada etapa de reacc ió n fue siempre menor a I giL y la concentración de áCidos grasos
volátiles (mg DOO/L) fue despreciable. Sin embargo debido a la alta canti dad de materia
orgánica presente en la ahmentaci ón los tiempos de retención hidráulicos fueron
superiores a 40 días .
AB5TRACT
AB5TRACT
At the present time the fatty wastes from de agro-food mdustnes present problems,
t he cherrucal oxygen demand (COD) IS hlgh and the ways from treatrnent are httle
effrcrent . The mcineratron and cherrucal treatments are generally expenslve; the
aerobrcally blologlcal treatments have problems because there are exceseive growths of
the bromase as well as hlgh costs from the power neceeemee, on the other hand the
anaerobic process has been applted frequently due to the advantages of the same one.
The arm of the work was to evaluate the appltcatlon of an anaerobic dlscontlnuous
process (An5BR) for the fatty soltds wastes treatment from the agro-food mduetnee.
In speclal we have st udled the anaerobrc treatment of 3 fatty wastes In anaerobic
sequentlal batch reactors [An5BR], the fatty wastes were: ( 1) Decot onzmq ground
contarmnated wrth vegetal 0 11, (2) fatty soltds wastes of meats and (3) fat t y soltds
waetes of dalry. The reactors were seeded with activated sludge taken from an An5 BR
used to treat dlstlllery vmasse, the operate temperature was 35 "C.
The treatment of vegetal 0 11 was studled wrth ethanol as co substrate In an An5BR. At
the start the An5 BR was fed wrth only et hanol after, the reactor was fed with ethanol
and vegetal oil, always wrth the same amount of ethanol. The equlvalent to methane of
the COD feed dumruehed In function to the amount of added vegetal 011, Indlcatlng that
the COD added was not necessanly degraded and rt could be that the vegetal orls were
adsorbed on the sludge. At the day I 33 the reactor was stopped because a hlgh fatty
aClds volante (FVA) concentratlon at the end of reaction phase aCldlfled the reactor.
On the other hand In the other two reactors the removal efñciency of total volante
soltds wae greater that 95% In both reactors and the speclflc methane Ylelds In both
reactors were about I L CH) gN50GkJed . The soluble chermcal oxygen demand (CODs) In
the end of reaction phase rt was always more small that I qL and the fatty aClds volatrle
concentratlon as mg COD/L rul. Nevertheless due to the hlgh concentratlon of orgamc
matter In both wastee, the HRT were greater to 40 days .
2
INTRODUCCION
INTRODUCCiÓN
Los desechos de la industria agro-alimentana. se caracterizan por su alto contenido de
materia orgánica . Los principales componentes son: grasas. proteínas. carbohidratoe y
agua así como material Inerte. Es necesario un tratamiento adecuado a estos desechos
antes de verterlos al ambiente 51 se pretende minimizar 105 efectos adversos al mismo.
Sin embargo las vías conocidas hasta ahora presentan diversos problemas. Tratamientos
f1Slcoquímlcos como la mcmeración y la precipitación química han Sido aplicados además
de procesos biOlógicos. La mcmeración generalmente es costosa , además no es
fácilmente adaptable a factores como la vanaci ón en la compOSIción de 105 desechos y a
la humedad de 105 mismos . Los tratamientos químiCOS aplicados hasta ahora se basan en
la aplicaCión de oxidantee a altas temperaturas y altas presiones en presencia de
catalizadores. Los procesos químiCOS utilizados para este tipo de desechos resultan
extremadamente caros. especialmente cuando se obtienen altas remociones de la
materia orgánica . Por otra parte 105 procesos biOlógicos han Sido aplicados al
tratamiento de estos desechos, Sin embargo en el tratamiento aerobio ocurren
constantemente problemas de crecumento excesivo de la brornaea, mientras que 10 5
procesosanaerobios han Sido 105 más utilizados por sus ventajas conoodas como la
prodUCCión de metano, así como el soportar altas cargas orgánicas y la baja prodUCCión
de lodos. La mayoría de 105 procesos anaerobioe aplicados al tratamiento de desechos
de la mdustna agro-alimentarla han Sido en continuo o en semi-continuo.
El objetivo de este trabajo es evaluar la aplicaCión de un proceso discontinuo anaerobio
tipo An5BR (Anserob«: 5equencmq Batch Reactor') para el tratamiento de desechos
grasos provenientes de diversas Indust rias agro-alimentarías. entre ellas la industria del
queso, de las carnes frías y de 105 aceites de girasol. Al mismo tiempo determinar las
bases de dimenSionamiento de estos reactores. como son la carga máxima a aplicar y
105 tiempos de retención hidráulicos.
3
ANTECEDENTE5
CAPITULOl.ANTECEDENTE5
I . I Los desechos grasos de la industria agro-alimentana
Los desechos grasos de la Industna agro-alimentana se caractenzan por su alta
concentración de materia orgánica, generalmente, con una alta fracción blodegradable.
Dentro de la mdustria agro-alimentana se encuentra la mduetria de la leche, del queso,
de los aceites vegetales comestibles, de las carnes frías, entre muchas más. Los
desechos grasos de la mduetna agroalimentarla son la fracción grasa de los efluentes
de este tipO de Industnas.
Los lípldos representan la fracción más Importante de la carga orgánica de los desechos
grasos de la mduetna agro-alimentana, aunque en este tipo de desechos también se
encuentran presentes los carboludratos y las proteínas.
Los desechos grasos de la mdustna agro-alimentaría representan un problema en su
tratamiento, el alto valor de su DQO y los sistemas de ehrmnación son generalmente
costosos como la mcmeración y los tratamientos fíSico-químicos.
I . I . I Generalidades sobre las grasa
Los lípldos son moléculas orgánicas naturales. Debido a que generalmente tienen
grandes porciones de hidrocarburos en su estructura, los lípldos son Insolubles en agua
pero solubles en solventes orqárncos.
Los lípldos pueden ser ctasrhcados en dos tipos generales desde el punto de vista
estructural, en un pnmer grupo están las grasas y las ceras que cuentan con enlaces
éster bidrohzablee. por otra parte están el colesterol y otros eeterordee que al carecer
de enlace éster no pueden ser hldrollzados.
Las grasas son los constituyentes pnnclpales de las células almacenacíoras de grasas en
animales y plantas y constituyen una de las reservas ahrnentrciae más Importantes del
organismo. Las grasas de animales y plantas pueden ser extraídas, para obtener aceite
de maíz, de coco, de girasol, de algodón, de oliva, cártamo, manteca de cerdo,
de res, mantequilla entre muchas más.
Desde un punto de vista químiCO, las grasas son ésteres carboxílicos denvados de un
solo alcohol el glicerol y se conocen como glicéndos, específicamente se conocen
como tnacllgllcéndos o tnglicéndos . La reacción en general de la eetenfrcaci ón de un
áCido carboxíhco es la siguiente :
4
H+
R-C=O+R'OH..-
I
OH
R-C=O
I
OR'
ANTECEDENTE5
Cada grasa se compone de glicérldos de rivados de muchos áCidos carboxílicos
di ferent es, las proporciones de los d iversos áCidos son características de las mismas.
Los áCidos grasos que se obtienen por hidrólisIs de trlaCllghcéroles suelen ser lineales y
contienen un número par de átomos de carbono entre J 2 Y 20.
Los áCidos grasos pueden ser saturados o meaturados . Cuando en la estructura sólo se
encuentran enlaces carbono-carbono tipo sencillos es un ác id o saturado, SI en la cadena
de carbonos del acido grasos se encuentra uno o más enlaces dobles se hablará
entonces de un ácido graso msaturado. Cuando exieten dobles enlaces, normalmente
estos tienen la configuración Z (CIS) (Mornson y Boyd 1998).
En la naturaleza existen alrededor de 40 áCidos grasos distintos. El áCido palmítlco (Cid
y el áCido eete ánco (C I 8 ) son los áCidos saturados más abundantes ; los áCidos ole ico y
üno lerco (ambos C 18 ) son los mas abundantes entre los msaturados (Mornson y Boyd
J 998) . El ác rd o ole ico es monotneaturado ya que presenta un doble enlace , mientras
que los áCidos hnoleico y Iinolémco son polllnsaturados ya que presentan más de un
doble enlace . Los ác id oe hnoleico y lmol émco son esenciales para el ser humano; los
lactantes experimentan desarrollo deftciente y lesiones cutáneas SI son alimentados con
leche desgrasada por perlados prolongados (Morneon y Boyd 1998).
Puesto que la msaturaci ón tiende a bajar el punto de fusión, las grasas con alto
porcentaje en áCidos grasos msaturadoe son líquidas y se les conoce comúnmente
como aceites en su Inmensa mayoría son de origen vegetal (Tabla l. 1). Por otra parte
las grasas que contienen un mayor porcentaje de áCidos grasos saturados
generalmente son sólidas y se conocen como grasas arnmalee.
Las grasas tienen una estructura umforme que les permite empacarse fácilmente en una
est ruct ura crist alina, en contraste los dobles enlaces carbono-carbono de los aceites
vegetales meaturados Introducen flexrones y torceduras en la cadena del hidrocarburo,
lo que dificulta la formaci ón de cristales. Cuantos más dobles enlaces existan , será más
difíCIl que la molécula cristalice y por lo tanto el punto de fuei ón del aceite será menor .
5
ANTECEDENTE5
EXisten en la industria procesos para saturar una 'g rasa, este proceso es conocido
como hldrogenaclón . La hldrogenaclón satura algunos de los enlaces dobles de aceites
como el de maíz o semilla de algodón y los convierte en sólidos con consrstencra como
la mantequula, pero la saturación no sólo cambia las propiedades físicas como es el
punto de fusión, además cambia las propiedades químicas , se sabe que una grasa
saturada es menos propensa a ponerse rancia que una grasa no saturada (Morrison y
Boyd 1998).
La rancidez se debe a la presencia de ácidos y aldehídos volátiles de mal olor,
suetanciae que resultan del ataque por el oxígeno a posIciones ahlícas, es probable que
la hldrogenaClón retarde la rancidez reduciendo el número de enlaces dobles y por lo
tanto el numero de posIciones ahlícas (Morneon y Boyd J 998) .
Tabla 1.1 Cornpoerci ón aprOXimada de alguno5 aceites y gra5a5
ÁCidos grasos saturados (%) ÁCidos grasos meaturadoe
(%)
C J2 CI4 C' G c., CIO'I C IO' 2
Láunco Mirística Falrnftico EsteáriCO Oleico Imoleico
Grasa animal
Grasa de 25 15 50 G
Cerdo
Mantequilla 2 10 25 10 25 5
Grasa humana I 3 25 8 4G 10
Grasa de 8 12 3 35 10
ballena
Aceite vegetal
Coco 50 18 8 2 G 1
Maíz 1 10 4 35 45
Oliva I 5 5 80 7
Cacahuate 7 5 GO 20
Linaza 5 3 20 20
Por otra parte, el enlace C-C (enlace a) tiene una energía de enlace de 88 Kcal.,
mientras el enlace C=C (enlace a y enlace 1t Juntos) tienen una energía de enlace de
14G Kcal. Además el enlace doble es más corto que el enlace sencillo , esto le confiere
mayor estabil idad (Mornson y Boyd J 998) .
6
~- ------~-
ANTECEDENTES
I .2 Tipos de tratamiento aplicados a 105 desechos grasos
Existen hasta el momento 4 soluciones posibles para el manejo de este tipo de
desechos.
l . El reuso de la materia
2 . La recuperación de energía por mcineraci ón
3 . Los tratamientos químiCOS
4. Los tratamientos biOlógicos
I .2. I El reuso de la materia
La mayoría de 105 desechos grasos pueden ser reutilizados, como en ahmentacién
animal, o para fabricar productos como lubricantes, cosméticos entre otros. Entre 105
prinCipales obstáculos para el re-uso de 105 compuestos grasos se encuentran las
normativicíacíee de mercado que eXigen materiales de alta calidad para la fabncacrón de
tales productos .
La ahmentaci ón animal era una alternativa a la diSpOSICión de este tipo de desechos.
Diversos desechos de mataderos son neos en proteínas y vitammae, estos se
preservan en ácicío fórrmco, y pueden ser utilizados en ahmentaci ón animal. Sin embargo
en algunos países de la Unión Europa la legislaCIón cada vez es mas rigurosa sobre el
uso de 105 subproductos en la alrmentaci ón animal, con el objetivode reducir el riesgo
de la transrrusr ón de enfermedades vía la cadena ahrnenticia (Salmlnen et al., 2002).
1.2.2 La recuperación de energía por mcineraci én
Este tipo de tratamientos es muy ehciente para grasas con cierto. nivel de pureza. El
poder caloríftco de 105 compuestos riCOS en carbono e hldrogeno puede compararse
con el poder de los combustibles fósiles. Las aves de corral secas son un combustible
sólido probado con un valor aprOXimado de cerca de 13 .5 GJ por tonelada, alrededor
de la mitad del poder calorífico del carbón , Sin embargo las erruerones al aire, las
co ndrcronee de proceso y la diSpOSICión de resrduos sólidos y líqUidos hacen que el
proceso se eleve en valor y pierda ventajas en comparación a los demás (Salminen et
al., 2002) .
Normalmente los desechos grasos de la industria agro-alimentana son una mezcla de
compuestos , lo que hace que para poder ser reutilizados energéticamente se tengan
que realizar pre-tratamlentos flslcoquímlcos, lo que eleva los costos, 51 a esto se suman
los costos de Inversión de 105 equipos y tecnología , se llega a una vía aunque
tecnológicamente Viable, muy costosa .
7
ANTECEDENTES
1.2.3 Los tratamientos químicos
Los tratamientos basados en la oxrdacrón han sido probados en el tratamiento de
contaminantes del agua con material graso. Se han experimentado la depuraCión de las
grasas con peróxido de hidrógeno a alta temperatura (J 00- I 50Q C), altas presiones
(entre 2 y 5 bares) y en presencia de un catalizador ferroso (reactivo de fenton).
(Bonnard et al. , 1992).
Los tratamientos ftSlcoquímlcos ofrecen la remoci ón parCial de la carga orgánica de
proteínas y la preCipitación de grasas con diversos productos químicos como el
sulfato de aluminio, cloruro férnco y sulfuro ferroso (K.árpátl et al., 1995; Ruston,
1993), sin embargo, el costo de los reactivos es elevado y la remoción de la DOO
soluble es baja.
1.2.4 El tratamiento por vía biOlógica
EXisten dos pOSibles vías para el tratamiento biOlógiCO de desechos grasos :
•
•
La degradación aerobia
La degradaCión anaerobia
La degradaCión aerobia se caracteriza por la OXidación del material orgániCO en
presencia de oxígeno por microorganismos, resultando prinCipalmente caz y biomaea.
Vanos tratamientos aerobios convencionalee se han utilizado en el t ratamiento de este
tipO de efluentes, en el sector lechero se han utili zado lagunas aeradas. sistemas de
lodos activados (Stephenson ., J 989), filtros percoladores y diSCOS rotatorios, Sin
embargo, las necesidades energéticas para la aeración en estas mstatacrones son altas
y los problemas de crecimiento excesivo de la bromasa ocurren co nst ant ement e (Orml et
al., 2003)
Por otra parte la degradación anaerobia se caracteriza por la conversión de la materia
orgánica en ausencia de oxígeno a metano y d ióxido de carbono, con poca prodUCCión
de bro-e óhdos . El Interés de la aplicaCión de procesos anaerobios está aumentando
debido a las ventajas conocidae para el tratamiento de las aguas reSiduales con cargas
orgánicas elevadas .
Las ventajas de la degradaCión anaerobia son las siguientes : no se requiere de equipo
de aeración , además no hay crecimiento excesivo en la brornaea, además de que el
8
ANTECEDENTE5
producto final de la degradación es una mezcla mayoritariamente de metano con COz y
otros gases (blogás) que puede ser utilizado energéticamente.
Un tratamiento posterior al biOlógico puede ser necesario para remover el nitrógeno
antes de la descarga del efluente, la desrutnftcacr ón biológica es el proceso más
extensamente usado (Odegaard, 1988). Una propuesta para este sistema es un sistema
anaerobio-aerobio para remoción de nutrientes en conjunto con la remoción del carbono
(Bernet et al (2000).
1.3 la degradación anaerobia
Los procesos anaerobios se caracterizan por la transformación de la materia orgánica en
ausencia de oxígeno principalmente a metano (CH4 ) y dióXido de carbono (COz).
En los procesos anaerobios la mayor parte de la energía contenida en la materia
orgánica (alrededor del 90%), es convertida en blogás, el 10% restante es utilizado
por la célula para cumplir con sus requerimientos energéticos (Rozz: et al., 2002). Los
procesos anaerobios han sIdo aplicados al tratamiento de efluentes con alta contenido
de materia orgánica ya que al no requerir aeración el proceso es atractivo desde el
punto de vista económico.
Los procesos anaerobros en relación con los aerobios tienen la ventaja de que el
producto de la digestión es metano, el cual puede ser coneicíerado como una fuente
alterna de energía, la brornaea soporta mayores tiempos en ausencia de sustrato y
soporta además altas cargas orgánicas. En contra los procesos anaerobios son menos
eficientes que los procesos aerobios, esto se explica por una menor diferenCia de
potencial entre los aceptores de protones en comparación con los aceptores de
protones en los procesos anaerobios. El aceptor de los protones en los procesos
aerobios es el oxígeno, el cual tiene mayor electroneqanvictad que los AGV, nitratos,
sulfatos, COz que son los aceptores en los procesos anaerobios.
Los procesos anaerobios en general son lentos en comparación con los procesos
aerobroe, durante la achmataci ón, algunos presentan periodos de tiempo de hasta b
meses, esto se presenta sobre todo cuando no se cuenta con un inoculo apropiado.
EXiste un factor de suma Importancia sobre la blodegradaclón anaerobia : es la
disponibilidad de aceptores de electrones. El oxígeno es el mejor aceptor de
electrones, Sin embargo en condiCiones anaerobias no exrste presenCia de oxígeno,
entonces las moléculas aceptoras de electrones serán los N03 - , 504 a- , o el COz,
9
-- ----~----
ANTECEDENTES
teniendo de esta forma proceso de desnltnflcaclón , sulfato-reducción o metanoq énesis
respectivamente.
En algunas ocasiones no exrste una mmerahzaci ón completa de la matena orgánica por
los microorganismos, en estos casos sólo se lleva a cabo una transformación del
contammant e , es deCir sólo se da un cambio estructural.
Según Salmlnen et al (2002) y f'svlostathrs et al (199 1), la degradación anaerobia
puede dividirse en 4 etapas: hidrólisIs, fermentación, acetoq énesis y metanoq éneeie
(Flg . l. I ). En estas cuatro etapas se lleva a cabo la degradación de las macro moléculas
por las reacciones metabólicas de los microorganismos, obteniendo como resultado fmal
blogás .
I CAROOHIDRAT05 I PROTErNAS ÚPIDOS I
s 1
I AZUCARES I AMINOACIDOS AGCL I
ESIS J-. NH3
ACIDOS GRASOS
VOLATILES DifERENTES
ALACETICO
ESIS 1
I ACIDO ACÉTICO HIDRóGENO I
Homoaceto'3éne515
ENESIS METANO
HIDROUSI
METANOG
ACETOGEN
ACIDOGEN
Flg. l. I Etapas de la degradaCión anaerobia
1.3 . I HidróliSIS yacldog énesls
La hidr óhers es la pnmera etapa donde se solubihzan los compuestos que no pueden ser
degradados directamente por los microorganismos, como son carbohrdratos , proteínas,
grasas, entre otras . Una vez sotubrluadoe estos compuestos son transformados por los
microorganismos que llevan a cabo la aCldogénesls o fermentación, en áCidos
orgánicos, áCidos grasos volátiles (AGV's) , hidrógeno y dióXido de carbono.
10
ANTECEDENTE5
I .3.2 Acetoqénesie
En esta etapa 105 productos de la fermentación (sobre todo los áCidos proplónlCO y
butínco), son transformados en hldró<3eno, acrdo acético y dióxido de carbono. Esta
t ransformación representa la actividad de tres grupos de microorganismos: Las
bacterias homo-acetoq érucas. las smtroñcas u OHPA (Obligate Hydrogen Produclng
Acetoqen) y las sulfatoreductoras. La mayoría de ellas son anaerobias estnctas. Las
homo-acetoq émcas producen únicamente acetato a partir de una mezcla H+-C02 • Las
bacterias OHPA OXidan los productos intermedios de la fermentación en acetato,
hldró<3eno y CO 2 ·
I .3.3 Metanoqénesis
La metanoq énesrs es la última etapa de la de<3radaclón anaerobia. En esta etapa las
bactenas metanoqémcas llevan a cabo la prodUCCión de metano por medio de la
conversión de acetato y de la reduccióndel dióxido de carbono con el hldró<3eno.
1.4 Expenenclas en el tratamiento anaerobio de desechos <3rasos provenientes de la
mdustna a<3ro-ahmentana
En un trabajo realizado por Vidal et al. (2000) se estudió observar la influencia de las
<3rasas y las proteínas en el de<3radaclón anaerobia de efluentes de la mduetna lechera,
como resultados, se observaron dos aumentos exponenciales en las curvas de la
prodUCCión de bl0<3ás durante la operación.
El pnmer crecrrmento se le atribuye a la de<3radaClón de los compuestos más fácilmente
blode<3radable pnnclpalmente azúcares y al<3unas proteínas, mientras el se<3undo
Incremento a la degradación de grasas.
La de<3radaclón completa de los contaminantes de las aguas residuales depende
fundamentalmente del <3rado de aclimatación de la biomasa. Por ejemplo , la caseína, la
proteína más Importante de la leche, se hldroliza f ácumente en la presencia de una
biornaea aclimatada (Perle et al., 1995), pero su fase de hidrólisIs se retarda con
relaci ón a la de los carbohidratoe cuando la biomaea no está aclimatada (Pavlostathrs
etal. ,1991).
Un estudio realizado por Massé et al. (2003) propone el uso de un tratamiento prevIo
para hrdrohzar la fracción grasa de 105 desechos, tal que se pueda acelerar el
tratamiento anaerobio de las aguas residuales de un matadero de cerdos.
11
- ------_~_--
ANTECEDENTES
Mass é et al., (2003) probaron vanos productos para llevar a cabo la hldróhsls y la
hpasa pancreática PL-250 fue la que demostró ser la más eficiente en reducir el tamaño
de las partículas grasas del cerdo y de aumentar la concentración áCidos grasos de
cadena larga.
La Iipasa pancreática PL-250. (Genencor Internacional Rochester. NY) es una enzima
hpolítlca comercial aislada del páncreas del cerdo. Los resultados de este estudio
muestran que hay un Incremento en la metamzación de las grasas.
Massé et al., (2003) han estudiado el efecto de los sóhdos suspendidos. sobre todo
lípldos. en el tratamiento anaerobio de las aguas residuales. Sus resultados sugirieron
que el factor de control del proceso fuera la hcuefacción de coloides f!Jados por
adsorcr ón en las bactenas y la hldróhsls de los grandes sóhdos suspendidos.
Concluyeron que la hldróhsls de los lípldos representa la etapa hrrutante en el
tratamiento de sóhdos.
El estudio anterior suglnó que el uso de un tratamiento prevIo puede hidrohzar parte de
las partículas grasas de tal forma que se acelere el tratamiento anaerobio de las aguas
residuales de este tipO de industrias.
Se demostró además que se puede mejorar la eñcrencia en el tratamiento de efluentes
de mataderos de cerdos. al reducir el tamaño las partículas grasas del cerdo y al
aumentar la concentración de los ácrdoe grasos de cadena larga hbres. (Massé et al.,
2003) .
La duración del tiempo de reacción en el tratamiento de este tipo de aguas residuales,
depende de las condiciones ambientales sobre todo de la temperatura de operación y
de las características del sustrato, la tasa de la carga orgámca así como las
características requencías en el efluente . Los tiempos de reacci ón en este tipO de
efluentes generalmente son muy largos, SI ellas presentan altas concentraciones de
sóhdos disueltos y especialmente SI se trabaja a bajas temperaturas (Maes é et al.,
2000) .
En otros estudios reahzadoe por Fuchs et al. (2002) en el tratamiento biOlógiCO de
tipO anaerobio de agua residuales con alto contemdo de materia orgámca, entre ellas la
de la industna del pollo, se llega a valores de remoción de la DQO arriba del 80%.
En el estudio reahzado por Fuchs et al. (2002) para el tratamiento de efluentes de los
mataderos de pollos, se obtiene un valor de entre 0 .3 y 0.34 htros de prodUCCión de
12
~ - ~-- -- ----- - - - - -
ANTECEDENTE5
blogás por gramo de DQO degradado, siendo de 0.5 el valor te órico de éste, en las
condic iones de trabaja, lo que indica que en el estudio se presentó una buena
producción de blogás.
En el tratamiento de las grasas.. Rmzema (1 ~~3) encontró que el grado de conversión
total es limitado por la conversión de 105 LCFA (ácidos grasos de cadena larga), o por
10 5 procesos fíSIcos de la diSolución y la transferencia total de estos áCidos . Los áCidos
grasos de cadena larga saturados con cadenas de carbono de entre I 2 Y I 4 átomos y
105 áCidos grasos de cadena larga no saturados con I 8 átomos de carbono se cree
son Inhlbldores para varios rrucroorqamernos , particularmente de las bactenas
metanogémcas (Koster., I ~87) .
En 105 proces os donde se presentan cantidades apreCiables de grasa, se presentan
fenómenos adversos al buen funcronarruento de 105 reactores, entre 10 5 cuales están:
•
•
•
La flotación del lodo o el desarrollo del lodo con diversas características como
baja aCtividad (perle et al., I ~~5).
Por otra parte, la adsorcr ón de grasas en la superficie de las bactenas de la
biomaea anaerobia puede limitar el transporte de 105 sustratos solubles al intenor
de la célula y por lo tanto causar una diSminUCión en la tasa de conversión de
sustrato (5ayed et al., I ~88).
La degradación de algunos compuestos conduce a la formaci ón de productos
tales como proplonato, etanol o acetato. La acumulaci ón de estos productos
intermedios, espeCialmente en su forma diSOCiada, conduce a la mhrbrcr ón de
vanas espeCies microbianas con la disrnmuci ón consiguiente de la producción del
metano (Agullar et al., I ~~5), esto debido al marcado Incremento de la acrdez
del sistema .
Inhibición por el par conjugado NH4 +/NH3 .
En el tratamiento anaerobio de desechos sólidos grasos provementes de la mdustna
agro-alimentana es frecuente trabajar con desechos con alto contemdo de proteínas y
con alto contemdo de compuestos mtrogenados, estos compuestos al ser degradados
por 105 rrucroorqamemos dan como prinCipal producto NH4 • El NH4 presenta un equihbno
fuertemente dependiente del pH con su par conjugado, el NH3 (Flg . 2 . 1). Cuando 105
reactores anaerobios presentan altas cantidades de mtrógeno de forma libre (Orrul et
al. , 1~~5), se presentan problemas de mhrbici ón en 105 reactores anaerobios, Sin
embargo es pOSible regular la concentración del amoniaco libre mediante un sistema de
regulaCión del pH dentro de 105 reactores .
13
ANTECEDENTE5
I .5 Reactores discontinuos secuenciales
La mayoría de los procesos anaerobios aplicados al tratamiento de desechos de la
md ustna agro-alimentana han sido en continuo o en semi-continuo, Sin embargo existen
muchas mdustnae que operan por Ciclos de producción, es por esto que en este
estudio se propone el uso de reactores discontinuos y se evaluará su desempeño para
tratar efluentes de la mduetria agro-alimentana, el reactor discontinuo por excelencia es
eI5BR.
Los reactores discontinuos secuencialee (5BR) son un caso especial del sistema de
lodos activados. El 5BR es un tanque que opera en lotes . En pnmera instancia el tanque
es llenado con el agua a tratar y los microorganismos comienzan a degradar los
contaminantes por medro de reacciones bioquímicas, una vez obtenido cierto porcentaje
de remoción la bromasa comienza a sedimentar, finalmente el sobrenadante (efluente ó
agua tratada) se vacía del tanque y el tanque esta listo para realizar un nuevo Ciclo.
La diferenCia fundamental entre este sistema y el de lodos activados es que el 5BR no
requiere de eedimentador secundano. Esto constituye una ventaja ya que en un mismo
tanque se .lleve a cabo el mezclado, el tratamiento y la sedimentactón del agua residuat
siguiendo una secuencra, mientras que en los procesos en continuo se requiere de
vanas estructuras (Wllderer et al., 2001). Los 5BR's han Sido aplicados con éxrto en
pequeñas mdustnae donde la prodUCCión es en lotes, con altas remociones de la DQO
(Tomjos et al., 200 1).
I .5. I Etapas del An5BR
El Ciclo de cada tanque de un reactor 5BR típiCO se diVide en 5 etapas: Llenado,
reacción, decantaCión, vaciado y tiempo Muerto. (Flg. 1.2).
El llenado es la pnmera etapa del Ciclo, es donde se alimentael reactor, durante esta
fase, se debe tener un sistema de agitación que sea capaz de tener un mezclado lo
mejor pOSible para que así los microorganismos estén en contacto con todo el sustrato.
La etapa de llenado se termina cuando el reactor tiene su volumen máxrmo, lo cual puede
ser determinado por un indicador de nivel. La siguiente etapa es la de reacci ón, que
nuera durante el llenado y se completa durante la fase de reacción . Durante la reacción
puede o no haber suministro de oxígeno esto es el 5BR puede ser aerobio o anaerobio
(An5BR) , o un sistema acoplado anaerobio-aerobio. Generalmente en la etapa de
reacción se agita el sistema para homogeneizar la concentración dentro del reactor y
para ayudar a la transferencia de nutrientes .
14
----- - -----
ANTECEDENTES
En los AnSBR's, la concentración de sustrato es muy alta, una vez llenado el reactor y
esta va disminuyendo hasta que el reactor es nuevamente alimentado. Esta alta
concentración permite trabajar a velocidades máximas de eliminación del sustrato.
La tercera etapa es la sedimentación, al final de la fase de reacci ón. cuando las bajas
concentraciones dan lugar a bajas producciones de gas permitiendo de esta forma la
sedimentación de la bromasa para su separación. Una vez terminada la reacción se
suspende la agitaCión, con el fin de que los lodos sedimenten por gravedad, durante
este proceso no hay entrada ni salida de flujO al reactor Dependiendo del tipo de
lodos el tiempo de eedrrnentaci ón puede variar desde unos minutos hasta vanas horas.
->
8
TIEMPO MUERTO
1
mu,~
VACIADO
~ ALlMENTACION
D "<, BIOGAS
LLENADO
DECANTACiÓN
flg. 1.2 fases de un An5BR
Una vez terminada la etapa de sedimentación se lleva a cabo el vacrado del efluente o
del agua tratada, este puede ser por vanas formas, una de ellas puede ser por una
tubería colocada a cierto nivel con regulación de flujO por medro de una válvula o una
bomba dependiendo del grado hidráulico del sistema, o se puede usar un vertedor
ajustable o flotante. El vaciado debe ser diseñado y operado de manera que prevenga
la Hotact ón de lodos a la descarga. El tiempo de vaciado puede ser de 5 a más de 30%
el tiempo total del ciclo, sin embargo se recomienda que no sea demasiado grande para
evitar problemas de elevación de lodos.
15
ANTECEDENTE5
finalmente el periodo entre el vaciado y el llenado (del siguiente ciclo) se le llama
tiempo muerto, es un tiempo de espera y puede ser utihzado para la ehmmaci ón de los
lodos.
1.5.2 Expenenclas con los An5BR's
Los 5BR's anaerobios ha sido amphamente utilizados en el tratamiento de efluentes de
las mduetnae donde la producción es en lotes, por lo tanto las vanaciones de carga son
muy Importantes. El 5BR ha tenido gran aceptación en este tipo de tratamientos
debido a que es un sistema de gran f1exlblhdad en cuanto a los tiempos de operación,
no requiere de un tanque sedrrnentador secundano, como el sistema de lodos
activados, ocupa espacIo mínimo y sobre todo es bajo en costos comparados con los
sistemas convencionales. Los An5BR's, se han empleado para tratar efluentes de
mdustnas que producen en lotes y además con alta carga orgánica, como es la
mdustna agro-ahmentana.
En este tipo de mduetnas, Massé et al. (2003), unhzaron un An5BR para el tratamiento
de un efluente de matadero de cerdos, Bernet et al. (2000) utihzaron un An5BR para la
remoción combinada de carbono y nitrógeno 'para un efluente de la Industna de la carne
de cerdo y Massé et al. (2000) , estudiaron en un An5BR el efecto de la temperatura
en la degradación de compuestos grasos durante el tratamiento de los efluentes de los
mataderos de cerdos . RUlz et al., 200 I utihzaron un An5BR para el tratamiento de
efluentes de la industria agro-alimentana con alta carga orgánica donde además sientan
las bases del diseño y la automatización de bioreactoree discontinuos anaerobios. Rurz
et al. , 2002 utilizaron un An5BR para el tratamiento de vinazas de destilerías .
16
OBJETIVOS
OBJETIVOS
Evaluar el desempeño de procesos discontinuos anaerobios aplicados a la degradación
de desechos grasos de la mdustna agro-alimentana .
Determinar la carga máxima a aplicar en reactores AnSBR de tres desechos grasos de la
mdustna agro-alimentana .
17
METODOLOGíA
CAPíTULO 11. METODOLOGíA
2. I Introducción
Se evaluó el desempeño de procesos discontinuos anaerobios aplicados a la
degradación de desechos grasos de la industria agro-alimentarla .
Los desechos fueron :
l . Tierras decolorantes contaminada con aceites vegetales (AV) .
2 . Grasas de la Industria de las Carnes frías (Cf).
3 . Grasas de la Industria del Oueso (10).
Se trabaj é con tres reactores, uno para cada desecho.
2.2 Modo de funcronarmento
El sistema SBR es un proceso discontinuo que normalmente cuenta con 5 etapas :
Llenado, reacci ón, decantación, vaciado y tiempo muerto. Los reactores fueron
operados en forma discontinua, es deCir por Ciclos de llenado y vaciado, Sin embargo
durante la operación de los reactores, no siempre se realizaron fases de decantación y
vaciado, debido a que la cantidad de materia orgánica en la ahrnentaci ón es muy elevada
y por lo tanto el volumen de mtercambio es muy pequeño. Normalmente los Ciclos en los
reactores fueron de 14 días, Siendo del primero al qUinto y del octavo al doceavo
(lunes a viernes) de ahrnentaci ón y reacción; los días G,7 y 13 Y 14 (sábado y domingo)
únicamente de reacci ón. al final del día 14 de operación se realizaban las fases de
decantación y vaciado.
De esta forma, la manera en que los reactores fueron operados, no es estrictamente un
SBR, son reactores que operan en régimen discontinuo. Para fines de nomenclatura se
dirá que se trabajó con reactores tipo SBR anaerobio. AnSBR.
2.3 Inetalacrón en el laboratono
Se trabaj ó con reactores de vidno, con un volumen útil de GL, de forma Cilíndrica de
doble pared, el Cilindro interior sirve de contenedor de los lodos anaerobioe y el
espacIo entre ambos Cilindros funciona como una chaqueta de calentamiento. La
temperatura de operación se mantuvo constante durante toda la experimentación en 35°
C mediante la recrrculaci ón de agua caliente entre las dos paredes . La mezcla en el
reactor fue asegurada con el uso de un agitador magnético (flg . 2 .1) .
18
METODOLOGíA
Los reactores estaban equipados con medidores de pH y medidores de flujO m ásico
(MFM) "Aalbo rg" con capac idad de O-50 rnt/rnm . El software "Modular SCP"
desarrollado en el labo ratorio del INRA-Narbonne, adquiere en línea datos de las
velo cidades de producción de gas y el pH cada 2 minutos (Flg . 2 . 1).
Con los datos en línea de las velocidades de producción de blogás en función del
ti empo se pueden const ruir las curvas de producción de gas y de la Integración de
es tas curvas se puede calcular el vo lumen total de blogás por Ciclo . La veloc idad de
producción de blogás en función del tiempo es directamente proporcional a la
veloc idad de degradación de la materia orgánica. de esta forma Indirectamente se
puede controlar el proceso.
FIg. 2 . I Esquema de la instalación en el laboratono
Con las curvas de gas producidas, es posible conocer el avance de los Ciclos, así como
las veloc idades máximas y finales de producción de blogás. Estas curvas fueron el factor
mas Importante . en cuanto a indicado res se refiere para Increm entar o no la carga
aplicada .
2.4 Operación de los reactores
Todos los reactores fueron Inoculados con lodos de la salida de reactor discontinuo
que trata vinazas de destilerías.
19
METODOLOGíA
Para simplificar la explicación de este estudio lo dividiremos en dos partes: En la primera
parte se explicará el tratamiento de los aceites vegetales. En la segunda parte se
hablará sobre el tratamiento de los desechos grasos provenientes de las Industrias de
las carnes frías y de la Industria del queso.
2.4 .1 Tratamiento anaerobio de los aceites vegetales
El desecho a degradar fue una tierra decolorante que es utilizada en el procesode
decoloración de aceites vegetales (AV), principalmente de girasol. Después del
proceso de decoloración, se obtiene una tierra contaminada, principalmente con lípldos,
420 g por kg de desecho representan a la materia orgánica y el 58% restante es
materia mineral.
El desecho a tratar, al ser una tierra cuya composIción es principalmente de materia
inorgánica y contaminada con el 42 % por materia orgánica, sólo se concibe realizar el
tratamiento del material graso fijado a las mismas, con un ca-sustrato, se eligiÓ para ello
al etanol.
Durante el periodo de arranque, el reactor fue alimentado con I O mL de etanol por Ciclo
como única fuente de carbono y energía . Después del periodo de arranque, el reactor
fue alimentado siempre con la misma cantidad de etanol, pero agregando diferentes
cantidades de desecho (AV).
Se alimentó con tres diferentes proporciones de etanol-tierra decolorante que se
utilizaron en los periodos 1, 11 y 111. La carga volumétrica aplicada (CVA en g DOO/L.d) fue
Incrementada en función a los periodos de operaCión, en el periodo de arranque ésta
fue de 3 .38 g DOO/L.d y de 3 .5G, 4 .2G y 5. J g DOO/L.d para el periodo 1, 11 Y 111
respectivamente (Tabla 2.1) .
Tabla 2 . I Composrci ón de la alimentaci ón en las diferentes etapas de operación del AnSBR
Periodo Compuesto Tiempo (días) CVA(g CVA(g Relaci ón DOO
DOO/L.d) SV/L.d) (ETOH-AV)
Arranque Etanol , -/4 3 .38 0 .00 1:0
I Etanol +AV J 5-G2 3 .5G 0.07 1:0.05
11 Etanol +AV G3-90 4 .2G 0.38 I :0 .2G
111 Etanol +AV 91-/33 5./0 0 .85 1:0.5
Los SV en la ahmentaci ón (CVA en g SV/L.d) también fueron Incrementados en funci ón al
tiempo de operaCión, el valor de la CVA (SV) pasó de O en el periodo de operación
hasta 0 .85 g SV/L.d en el tercer periodo. De forma Similar la relación de DOO etanol -
20
METODOLOGíA
ace it es vegetales, pasó de 1:0 (solo etanol) en el penado de arranque a 1:0.05,
1:0.25 y 1:0.5 en el penado 1, 11 Y 111 respectivamente (Tabla 2 . 1).
Se eligió al etanol como ca-sustrato por ser un compuesto de fácil degradación,
además de que esta presente en algunos efluentes mduetnales, es el compuesto
mayontano en las vinazas de destilerías (Rinz et al., 2002) . Además el desecho a tratar
son aceites vegetales que están fUados en una tierra , entonces SI se tiene al etanol
como ca-sustrato , se puede tener una curva de producción de gas característica y se
puede conocer SI la cantidad total de blogás es Incrementada por el material orgánico
fUado a la tierra de decoloraci ón, es decir SI éste es blodegradado.
La etapa de reacci ón se controló en base a la producción de gas morntoreada en líneaL;
la reacción se consideró terminada cuando la producción de gas era mínima «2 rnl/mm).
La fase de decantaci ón fue supnmlda para evitar una pOSible acumulación de sólidos
dentro del react or . Debido al pequeño volumen de intercambio «2%), el vaciado sólo
se realizó cuando el volumen se Incrementó de forma considerable 1.2 veces el volumen
onglnal, lo que ocurría normalmente después de 10 días de alimentación. El vaciado del
reactor se rea lizaba de forma manual.
2.4.2 Tratamiento anaerobio de los desechos grasos de la mdustna de las carnes frías
y de la mdustna del queso
Se evaluó la aplicaCión de un proceso discontinuo tipO AnSBR al tratamiento de
desechos grasos de la induetna de las carnes frías (Cf) y de la mdustna del queso (10).
Ambos desechos provenían del proceso de separación de grasas por aire disuelto de
efluentes de dichas Industnas.
Durante el arranque ambos reactores fueron alimentados con etanol para conocer la
actividad de los lodos, después la alimentación fue cambiada , se comenzó a alimentar los
reactores con los desechos, un reactor con el Cf y el otro con el lO . En un pnnc lplo se
comenzó a alimentar a los reactores con baja carga, hasta que parámetros como la
matena en suspensión , y las curvas de producción de gas, presentaban estabilidad ,
entonces fue pOSible un nuevo Incremento a la carga aplicada. La carga aplicada se
aumentó gradualmente por Incrementos del 20% para evitar una sobrecarga en el
reactor . Una vez encontrada la carga máxima a aplicar , se hicieron dos vanacrones de
carga una a la mitad de la carga máxima y la otra vanaci ón al doble de la misma.
Los reactores sólo fueron alimentados 5 de 7 días de la semana. La alimentación se
realizó de fo rma manual, la etapa de reacc i ón se fUó en 22 horas, las etapas de
decantac i ón y vaciado no se realizaban al final de cada etapa de reacción debi do al
pequeño volumen de intercambio diana « 2%), sólo eran realizadas cuando el volumen
21
METODOLOGíA
se Incrementó de forma considerable (20% mas del volumen onglnal), lo que ocurría
normalmente después de 10 días de ahrnentacr ón, la decantación duraba 2 horas, el
vaciado se realizaba de forma manual.
2.5 Anáheis y cálculos
Para conocer las características tanto en la entrada como en la salida del reactor, se
realizaron an áhsrs para cuantificar la cantidad de materia (5T, 5V, 55T y 55V), la DOO,
los áCidos grasos volátiles (AGV's) y el nitrógeno amoniacal (NH4 ) , así como la
compOSIción del blogás. Estas rnedicionee indican la estabilidad de los reactores. A
partir de estos datos se calcularon los rendimientos de depuración y los tiempos de
retención .
2.5. I Demanda química de oXigeno
La Demanda Oufrmca de Oxígeno (DOO) representa la cantidad de oxígeno necesaria
para OXidar toda la matena OXidable presente en una muestra . La rnechción se realizó por
el Método AFNOR T~O-I O I (a reñujo abierto).
Durante la determinación la materia orgámca es OXidada con dlcromato de potasIo en
exceso en un medro áCido (H2504 ) , en presenCia de sulfato de plata y sulfato de
mercurio (evita mterferencras por cloruros) . La muestra es calentada a 150Q e durante
120 minutos.
Al final de la digestión, la DOO se mide indirectamente por la medicr ón del dlcromato
restante, el cual se determina titulando la muestra con una solución de sulfato de hierro
y amomo, comúnmente llamada sal de Móhr, en presencia algunas gotas de ferroína que
es un indicador de OXido reducción.
El rango de rnedtcrón ésta comprendido entre 50 y 750 mg02 .L' J, las muestras deben
ser dilUidas SI es necesano, para estas medrcronee el margen de error es de entre el
15 Y el 20%.
El porcentaje de la DOO removida se calcula con base en la ecuación l .
%DQOR =[DQO¡n - DQOS]*100 .. .. .. .. .. (1)
DQO¡n
Donde DOO," representa el valor de la DOO total de la ahrnentacr ón Sin filtrar (giL) y
DOO. representa el valor de la DOO a la salida del reactor.
22
METODOLOGíA
El porcentaje de la DOO rnetaruzada representa la DOO que ha sido transformada a gas
metano y se calcula en base a la ecuación 2 .
%DQOM =[DQ OCH 4 ]*100 (2)
DQOin
Donde la DOOc H4 representa a la cantidad de metano producido; se sabe que I gDOO
produce 375 mL de metano a 20QC y I atm.
2.5.2 ÁCidos grasos volátiles
La acurnulacr ón de áCidos grasos volátiles (AGV's) en un reactor anaerobio es Sin duda
alguna un síntoma de desestabilización, causada por un desequilibrio entre las
velocidades de producción y las velocidades de consumo de los mismos .
La naturaleza y concentración de los AGV's fueron determinados por cromatografía
gaseosa con un aparato CHROMPACK CP9000 acoplado a un detector de flama ya un
Integrador SHIMADZU CR3A.
Los áCidos detectados son: acético, proplóOlcO, butínco e ieobutfnco, val énco e
.soval éncc, estos áCidos son separados por adsorcr ón en una columna capilar Econocap
FFAP, cuya longitud es de 18 metros y diámetro de 0.53 mm.
Las conchciones de operación fueron las siguientes :
Temperatura del Inyector: 250Q C
Temperatura del detector: 275Q C
Temperatura del horno: De 80 a 120Q C
Gas Vector: Nitrógeno
Volumen de myecci ón. 0.2f..lL
Todas las medidas se realizaron utilizando un patrón Interno compuesto por áCido etil-2-
butínco en una solución de áCido fosfórico al 5%. El aparato se calibraba con una
solución estándar con los G áCidos grasos y el patrón Internoen una proporción 1: I .
2.5 .3 Determinación de la rnatena en suspensión
Una forma de caracterizar los desechos sólidos es midiendo la cantidad total de matena
seca (ST) y volátil (SV) .
Para determinar los sólidos totales (ST) (glkg) se toma una cantidad conocida de masa,
eta se deja durante 24 horas al 05Q C, terminando este penodo se registra la masa
de la muestra (MI) ' Los sólidos totales son calculados con base en la ecuación 3 .
23
METODOLOGíA
ST=[MI -MO ] •• • • • • • ••• 3
Mr-Mo
Para determinar los 5V, se Introduce esta muest ra a un horno a 550Q C y se deja
durante 2 horas , al final se deja enfriar esta muestra y se registra el peso (M2) , de esta
fo rma los 55T se determinan de acuerdo a la ec uaci ón 4 .
SV=[M I -M2J 4
Mr-Mo
Donde Mo es la masa de la cápsula de porcelana vacía y Mr es la suma de Mo más la
masa de la muestra
Para el caso de la materia en suspensión, se toma un volumen de muestra conocido (30
mL) del reactor en completa agitación, esta muestra es centrifugada a I 5 000 rpm
durante I 5 mmutos y a 4 Q C.
El sedimentado se vuelve a d iluir en agua desti lada. Esta últi ma so lución se deja en una
es tufa a 10 5Q C durante 24 horas, al fmahzar este t iempo se regist raba su masa (M .).
Inmediatamente después se Ingresaba esta muestra a un horno a 550Q C y se dejaba
durante 2 horas , al fmal de este tiempo se registraba la masa restante . (M2) . De esta
forma los 55T (giL) se determinaron conforme a la ecuac ión 5 :
[
M I -MoJSST= V .5
La fracción orgánic a de los 55T, se calcula con base en la ecuació n b .
[
MI -M2JSSV= V b
Donde Mo es la masa de la capsula de porcelana utilizada vacía y V es el volumen de
muestra, en nuestro caso siempre fue de 30 mL.
También se calcularon po rcentajes de remoción en base a la materia o rgánica segú n lo
expresado en la ecuación 7 .
O/OSVR = [SVin - Svs ] *100 7
sv;
24
METODOLOGíA
Donde %5VR es el porcentaje de los 5V removidos, 5V,n son los 5V a la entrada y 5V.
son los 5V a la salida del reactor.
2.5.4 Determinación del nltró'3eno amoniacal (NH4 +)
El amonio generado durante la degradación anaerobia de proteínas estará presente en
el líqUido en dos formas : IÓnlCO NH4 + y NH3 Libre (NH3L) . Para determinar el mtr óqeno
amoniacal, se toma un volumen conocido de muestra, a éste se le agregó 50 mL de una
solución tampón de fosfatos (pH=7.4) . El nitrógeno amoniacal es extra ído por
destilación en el aparato BUCHI 31 b, el destilado se recoqe en una solución ácrd a
(ácido bónco concentrado). La cantidad de nitrógeno se determina por titulacr ón con
HCI (0.02N) en presencia de indicador rojo de metlleno y verde de bromocresol.
5e ha sU'3endo que el NH3L es el componente activo responsable de la inhibiCión de la
actividad rnetanoqémca (Orrul et al., 1995). Es posible calcular la concentración del FA
de la concentración total del amoníaco en el líqUido (TA) Y la fracción de AL con la
ecuación 8 (rtansen et al., 1998).
[ ]
- 1
NH + lO-pH
NH:L = -[0.09018+2729.92] 8
10 T(K )
2.5.5 Determinación de la compostción de blogás
La compoercr ón del blogás, producto final del metabolismo de las bactenas anaerobias.
fue determinada por cromatografía en fase gaseosa. se utilizó para ello el aparato
5HIMADZU GC 8A, eqUipado de un detector catarométnco y asoctado a un Integrador
5HIMADZU GC 3A. La medida se realizó Inyectando I mL de blogás. tomado
directamente de la salida del reactor.
El cromatógrafo comprende un horno eqUipado de dos columnas y un catarométro. La
pnmera columna sirve para separar el COz del resto de los compuestos gaseosos. La
segunda columna separa gracias a un tamiz molecular (0.5 nm) los otros compuestos
gaseosos entre ellos : Hz. 0z. Nz, CH4 •
Las condiciones de operaCión fueron :
Gas vector: Argón (300 kPa)
Temperatura del horno: 302 C
Temperatura del detector: J 002 C
La cahbraci ón del aparato se realiza mediante un patrón de concentración conocrda de
COz. H2 . 0 z, Nz' CH4 . Los resultados son expresados en porcentaje del volumen total.
25
METODOLOGíA
2.5.G Determmación de las acnvidades máximas
tas actividades máximas fueron determmadas con la ecuaci ón 9.
ActMáx(gDQO/h.gSSV) = (Velmax)*60* FCH .. . .9
375* gSSV
Velmax es la máxima veloc idad de producción de gas en ml/rrun obtenida de la curva de
producción de gas durante la fase de reacci ón, GO es el facto r de co nversión de
mmutos a horas. fCH 4 es la fracc ión de metano en el blogás. 375 representa el
equivalente de mililitros de metano a gramos de DOO. y 105 SSV son 105 sólidos
suspendidos volátiles en g/L.
2 .5.7 Cálculo del volumen total de blo.:::¡ás
El volumen total de blogás se calcula mediante la mte.:::¡raclón de las curvas de
producción de gas adquIridas en línea mediante el programa "Modular SCP" .
2 .5 .8 Cálculo de la prodUCCión específica de metano
La producción específica de metano expresada en L de CH) g SV se calculó por Ciclos .
De la IntegraCión del área bajo la curva de producción de gas se obtiene la cantidad de
blogás total por Ciclo y se diVide entre la cantidad total (en gramos) de SV alimentados
en el Ciclo.
26
RESULTADOS Y DISCUSiÓN
CAPíTULO 111. RESULTADOS Y DISCUSiÓN
3. I Introducción
Para simplificar la explicación de este estudio lo dividiremos en dos partes: En la primera
parte se explicará el tratamiento de los aceites vegetales. En la segunda parte se
hablará sobre el tratamiento de los desechos grasos provenientes de las Industrias de
las carnes frías y de la mdustna del queso.
3. 2 Tratamiento anaerobio de 105 aceites vegetales
En esta sección se describirá la operación del reactor dlscontmuo anaerobio tipO
(AnSBR), aplicado al tratamiento de aceites vegetales contenidos en una tierra
decolorante contaminada 105 mismos en co-dlgestlón con etanol.
3.2. J Caracterización del desecho a tratar
El desecho a tratar fue una tierra decolorante que es utilizada en el proceso de
decoloración de aceites vegetales (AV), prinCipalmente de girasol. Después del
proceso de decoloración, se obtiene una tierra contammada, prmclpalmente con aceites
vegetales .
A la tierra contammada se le determmó la fracci ón seca (ST), la fracci ón orgánica (SV) ,
el material extraíble al hexano (Grasas) y el contenido y caracterización de 105 ác rdoe
grasos de cadena larga (AGCl).
Tabla 3 . I Composrci ón de la tierra contaminada con aceites vegetales
ST (o/kg) 850
SV (% de los ST) 50
Material graso (% de los SV) 74
AGCl (% de la materia grasa) 55
Caei el 85% es material seco (ST), el 42 % es materia orgánica (SV), el resto es
materia rmneral (Sf). El contenido en materia grasa extraíble al hexano es de 30 I g/kg
de desecho, 74% de los SV . los áCidos grasos de cadena larga AGCl, representan
poco más de la mitad de la materia grasa extraíble al hexano (Tabla. 3 . 1).
Los AGCL C1 G,o; C I/W; C I/~ " y C 10 '2 representan el 92.5% del total de AGCL. Se puede
observar que los áCidos msaturados C,o" y C 1M representan cerca del 80% de total
de AGCl (flg. 3. J).
Debido a las características del desecho a tratar, el reactor fue alimentado con un co-
sustrato (etanol) . Después del periodo de arranque , el reactor fue alimentado con tres
27
RESULTADOS Y DISCUSiÓN
diferentes proporG1ones de etanol-tierra de decoloración en los periodos 1, 11 Y 111. La
carga volumétrica aplicada y la relación de DQO (etanol - aceites vegetales) fueron
incrementadas en función a los perlod~s de operación (Sección 2.4 . 1) .
70
~ 60
el
<
.2 50
•"ti
~ 40
S
.. 30
"ti·~ 20·l!
~ 10
O
C16:0 C18:0 C18:1 C18:2 OTROS NI
Acldo Graso
Flg. 3. I Distribución de 105 AGCL
3.2.2 Arranque del reactor
Los sólidos volátiles en el móculo fueron de J 5 giL. Durante el periodo de arranque, el
reactor sólo fue alimentado con etanol como fuente de carbono. Con los datos en línea
de la velocidad de producción de gas en función el tiempo de reacción se construyen
las curvas de producción de gas (CPG). Cuando el sustrato sólo es etanol en la curva de
producción de gas se observa la separaciónentre la aCldogénesls (fase 1) Y
metanoq énesis (fase 2) (flg . 3.2), durante la aCldogénesls se llevó a cabo una rápida
aCidificaCión lo que se ve reflejado en una acumulación momentánea de AGV's y esto se
ve reflejado en un descenso del pH, posteriormente el acetato produCido es tomado
como sustrato por las bacterias metanoqérncas acetocl ásticae y finalmente transformado
a CH4 y COz' La rápida aCidificación puede explica rse debido a que la ahmentaci ón
conti ene etanol, el cual presenta una rápida aCidificaCión (Ruiz et al., 2002) .
La mayor velocidad de prodUCCión de gas se presenta durante las tres primeras horas
de reacci ón, debido a que se presentan las dos reaccionee (aCldogénesls y
metanoq éneers) de forma Simultánea. La velocidad de reacción de la aCldogénesls es
mayor que la de la metanoq énese , esto se explica ya que la aCidificación dura alrededor
de tres horas, mientras la metaruzaci ón dura un poco más de 1O horas . La acumulación
de AGV's sugiere que la velocidad de prodUCCión de estos es mayor a la velocidad de
consumo (flg . 3 .2).
28
RESULTADOS Y DISCUSiÓN
Al final del c iclo, la velocidad de producción de gas es ce rcana a cero y el pH remonta a
su valor Inicial, es entonces cuando se puede irncrar un nuevo ciclo . Al final del penado
de arranque la actividad de los lodos fue de 1.48 g DOO/h ó 0 .080 g DOO/g SSV.h .
40
.. 35..
'"~ 30
e
o
Ü 25
u-
" eeE 20Q.:J
.. É
'ti 15
'ti
-a
~ 10
~
FASE ,
__ VELOClOAO DE PROOUCCJON CE GAS
• PH
7,80
7,70
7,60
7,50
7,40 it
7,30
7,20
7,10
2 4 567
TIempo en horas
9 10 11 12 13
Flg. 3 .2 Velocidad de producción de gas y pH durante la degradación anaerobia de ETOH
3 .2.3 CUNas de produccIón de '3as para diferentes mezclas ETOH-AV
La figura 3 .3 muestra diferentes CUNas de producción de '3as para las mezclas etanol-
aceites vegetales (ETOH-AV) a diferentes proporciones de DOO . La forma de las CUNas
siempre es la misma, todas presentan la zona A y la zona B. El valor diferente de cero
de la velocrdad final de produccIón de gas en el Ciclo con relación 1:0.5 de ETOH-AV,
indica una posible acumulación de materia orgánica que no es eliminada al final de la
etapa de reacción y por lo tanto exiete un nesgo de sobrecarga a largo plazo, esta
materia orgánica puede ser AV fUados a la tierra de decoloraCión.
10 12 14 16 18 20 22 24 26
Tiempo en horas
4
0 "'-,-~__~-~----'
o
-fTOH·AV 1:0 -- ET()H. ...V 1:0.05
.. f TOH-AV:l :0 26 -.~ ETQH-AV 1:0.5
F'g. 3 .3 Curvas de gas en un An5BR con ETOH-AV a diferentes proporciones de AV
29
RE5ULTAD05 y DI5CU510N
El seguimiento en línea de la veloci dad de producción de gas pe rmite la co nstrucc ión de
las curvas y de estas es posible obt ener las velocidades de producción de gas durante
la aCldogénesls , metanoq éneers y al final de la reacción así como 105 tiempos de
reacción .
3.2.4 Velocidades máximas de producción de gas durante la operación del reactor y
actividad específica
Durante el penodo de arranque las velocidades máximas de producción de gas en la
aCldogénesls y metanoq énesis se Incrementaron, lo que puede explicarse 51 se
considera la exietencia de un proceso de aclimatación de la población microbiana al
nuevo sustrato (Flg. 3 .4) . El penodo de aclimatación de 105 microorganismos a
compuestos orgánicos puede definirse como el Intervalo de tiempo a partir de la
introducción de dicho compuesto en determinado ambiente, hasta cuando se hace
evidente la remoción del compuesto (Buitrón, I gg3) , durante este penodo 105
microorganismos expenmentan cambios fiSiológicos, morfológicos y genéticos de ta l
fo rma que sólo 105 más aptos se desarrollan bajo las nuevas condiciones del medio.
-e- ACIOlFICAOOH
. - ME'fAHlZAOON
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~)V
I 1
»: !\¡ ET~~'ARJW«Jl.<O '\\ ¡J-.r"<----+ / '~.~. - ' :'-,./ .r /i ~Y ""rJ ETQH.AV 10.25:/ ETQH.AV 1:0.05 PERI(X)Q H . ...PERIODO 1 -. "-
~" . , . -... .
•o 10 20 30 40 50 10 70 10 10 100 110 120 130 140
Tiempoen dlas
30
F,g. 3 .4 VPG's y actividad específica durante la operación del An5BR
Durante el pnmer penodo de operación las velocidades de producción se Incrementaron
nuevamente , lo que indica que el proceso de aclimatación continúo hasta el día (;2, Sin
embargo la aCldogénesls comienza a descender a partir del segundo penodo de
operación cuando la relaci ón de DQO ETOH-AV fue de 1:0.25 , por otra parte la
met aruzaci ón pe rmaneció con valores casI constantes (Flg. 3 .4). La disminución en la
aCidificación puede explicarse 5 1 se considera el cambi ó en la alimentac ión , la proporción
de aceites vegetales se Incrementó en un factor de 5 veces en relacr ón al pnmer
penodo de operac ión.
30
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
A partir del tercer penodo de operación cuando la relación de DQO alimentada es
1:0.5
(ETOH-AV) las velocidades máximas de producción de gas durante la aCldogénesls y
metanoq énesrs se ven fuertemente afectadas hasta valores del 44 y 77 % en relaci ón al
valor máximo encontrado respectivamente (Flg. 3.4) .
Las diSminUCiones se presentaron siempre que se Incrementó la cantidad y proporción
de aceites vegetales en la alimentación , lo que hace .pensar que estos aceites
vegetales probablemente inhibieron a la población microbiana .
La disminUCión en las velocidades puede deberse por parte de uno o vanos compuestos
presentes en la alimentación, la tierra de contaminada contiene el 30 % (w/w) de grasas
y de ésta la mitad son ác idos grasos de cadena larga (AGCL). Los lípldos se hidrohzan
vía la fl-oxldaclón a AGCL y a glicerol (Koeter, 1989) el glicerol es un compuesto no
mhrbitono (ferie et al., 1995), pero sí lo son los AGCL en especial para las bactenas
metanoq érucas (Koster, 1987).
De los AGCL contenidos en la materia grasa extraíble al hexano, cerca del 80% son
msaturados, oleico y hnoleico (C,a" y C ,a.2)' se sabe que la longitud de la cadena de
carbono y la saturación afectan tambi én la mhrbrci ón (Rmzerna, 1993), además el efecto
mlubitono aumenta con el numero de enlaces dobles, los que son abundantes en los
lípldos naturales .
3.2.5 Volumen de metano durante la operación del reactor.
De la integración de las curvas de producción de gas puede conocerse la cantidad de
total de gas prodUCido, y con la compOSIción de gas puede calcularse la cantidad de
metano producido. La diferencia entre el eqUivalente en metano de la DQO alimentada y
el valor de metano expenmental es el porcentaje de la DQO rnetamzada.
El volumen de metano producto de la degradaCión anaerobia de la mezcla ETOH-AV
(metano expenmental) permanece casi constante durante toda la operación del reactor,
Sin embargo, el volumen esperado de metano (metano teónco) cada vez es mayor, ya
que la cantidad de DQO alimentada cada vez es mayor, por lo tanto la DQO metaruzada
(%) cada vez es menor . (Flg . 3 .5) . Durante el pnmer penodo el %DQOM deSCienden a
valores de entre el 97 y el 82%. Durante el penodo " los porcentajes también
disminuyen los valores se encuentran entre el 70 y el 80 de DQO rnetamzada, pero a
partir de l tercer penodo (ETOH-AV 1:0.5) la DQO presenta valores del 50%, lo que
puede indicar una pOSible mhibrci ón o una pobre blodegradabllldad.
31
RE5ULTAD05 y DI5CU51ÓN
100
90
80
70 z
60
..
=50 c:.'!
40 ~
O
30
a
o
20
10
O
130
ETOH-AV 1:0.5
PERlOOOIII
14,0 ~
12,6
11,2
9,8
¿ 8,4
e..
7,0E
~
"O 5,6>
4,2
2,8
1,4
0,0
O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
TIempo en dios
Flg. 3 ,5 Volumen de metano y % de la DOOM durante la operación del An5BR
Los resultados antenores son similares a los reportados en estudios similares. Hwu et al
(1998) encontraron valores de 59, 53 Y 70% de DQO metarnzada durante el
desarrollo de un reactor tipo EG5B (expanded granular sludge bed) en régimen
termofílico que trataba una mezcla de AGCL con glucosa y acetato como co-sustrato en
una relación de DQO 1.5: I .5: I .0 . Los AGCL eran el C,¡; ,O con 18 % (w/w) y C 18 " con
82% (w/w). Los tiempos de retención y velocidades de flUJO ascendente fueron de 24 h
Y 4 m/h para una DQO rnetarnzada