UNIVERSIDAD NACIONAL
PEDRO RUIZ GALLO
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
E INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
“Impactos ambientales ocasionados por la empresa maple etanol s.a. y propuesta
de un plan de mitigación”
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE
INGENIERA QUÍMICA
Bach. Flores Escobar, Carmen Rosa.
Dr. Cieza Sánchez, Jaime Lucho.
Lambayeque - Perú
2019
ASESORADO POR:
PRESENTADO POR:
Escuela Profesional de Ingeniería Quimica
UNIVERSIDAD NACIONAL
PEDRO RUIZ GALLO
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
E INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
“Impactos ambientales ocasionados por la empresa maple etanol s.a. y propuesta
de un plan de mitigación”
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE
INGENIERA QUÍMICA
APROBADO POR:
____________________________
__________________________
Dr. César Alberto García Espinoza.
Ing. M.Sc. Ronald Alfonso Gutiérrez Moreno.Presidente Secretario
______________________________ ____________________________
Ing. Gerardo Santamaría Baldera Dr. Jaime Lucho Cieza Sánchez
Vocal Asesor
Escuela Profesional de Ingeniería Quimica
DEDICATORIA
A Dios todo poderoso por ser quien me dio la vida, la salud, por ser quien me protege, me guía en el camino a lograr mis metas y por permitirme en este momento el desarrollo profesional.
A mis Ángeles de Amor allá en el cielo Papá, Berthita, a mi amado Paulo, que están conmigo en cada paso que doy, que son esas estrellas que me iluminan el camino y la vida… ¡Nunca dejen de abrazarme!
A mi Madre y Hermanos por su infinito amor y su apoyo incondicional, a mis sobrinitos Alejandra Sofía, Ana Paula, Arantza Patricia, Paulo Ernesto y Luka Martín por llenar mis días de alegría, a mis cuñadas Katherine y Carmen por su cariño y amistad; y a mi Querido Alexis quien aún en la distancia sostiene mi mano y me abriga el alma.
AGRADECIMIENTO
Quiero agradecer a todas aquellas personas, quienes me brindaron su valioso apoyo; muy en especial al Dr. Juan Cruz Gutiérrez y al Dr. Jaime Cieza Sánchez por la asesoría técnica y el estímulo para lograr la realización de este trabajo.
También agradezco a la Empresa MAPLE ETANOL S.A. por la confianza, apoyo y sugerencias brindadas.
Índice
RESUMEN ... 7
ABSTRACT... 9
INTRODUCCION ... 10
CAPITULO I ... 14
1. ASPECTOS GENERALES DE LA EMPRESA MAPLE ETANOL S.A. ... 14
1.2. DATOS GEOGRÁFICOS ... 15
1.3. ASPECTO SOCIO – ECONÓMICO ... 17
1.4. ASPECTO TÉCNICO ... 18
CAPÍTULO II ... 20
2. MARCO TEÓRICO ... 20
CAPITULO III ... 33
3. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE LA CAÑA DE AZÚCAR ... 33
3.1. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DEL ETANOL ANHIDRO ... 33
3.2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ... 34
CAPÍTULO IV ... 39
4. VINAZA, CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES, COMPOSICIÓN QUÍMICA... 39
4.1. VINAZA: ... 39
4.2. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES: ... 39
4.3. COMPOSICIÓN QUÍMICA: ... 42
4.4. QUÍMICA DE LOS SÓLIDOS TOTALES (ST) DE LA VINAZA: ... 43
CAPITULO V ... 47
5. ASPECTO AMBIENTAL ... 47
5.1. EVALUACIÓN DE CONTAMINANTES DE AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL ... 47
5.2. EVALUACIÓN DE LA CONTAMINACIÓN POR VINAZA ... 50
5.3. POBLACIÓN EQUIVALENTE ... 52
5.4. MARCO NORMATIVO... 52
CAPITULO VI ... 59
6. DIAGNÓSTICO DE LOS IMPACTOS TÉCNICO – AMBIENTALES OCASIONADOS POR LOS EFLUENTES INDUSTRIALES (VINAZA) DE LA EMPRESA MAPLE ETANOL S.A... 59
6.1. Técnicos: ... 59
6.2. Ambientales: ... 59
7. PROPUESTA DE UN PLAN DE MITIGACIÓN ... 61
7.2. DESCRIPCIÓN E INTERPRETACIÓN DE FOTOGRAFÍAS Y RESULTADOS . 87 7.3. SELECCIÓN DEL PROCESO ... 90
7.4. Balance de Materia y Energía ... 96
7.5. Balance de Materiales ... 99
CONCLUSIONES ... 101
RECOMENDACIONES ... 103
RESUMEN
Los desechos originados en la industria alcoholera, azucarera y derivados pueden convertirse en subproductos, con cierto valor económico y a la vez, evitar el impacto al medio ambiente que ocasionaría su incorrecta disposición.
En la presente investigación monográfica presentamos el impacto que ocasiona en el medio ambiente la vinaza de destilería en la agroindustria MAPLE ETANOL S.A. esto como un elemento de especial importancia en la gestión ambiental para analizar la utilización de un subproducto del proceso; así también se abordará el impacto técnico que ocasiona la vinaza, por su naturaleza coloidal, en la saturación de los filtros por los cuales pasa en forma diluida hacia los campos de cultivo, ocasionando un alto riesgo para el deterioro de la bomba, clave para que funcione el riego tecnificado de los terrenos de cultivo.
Los principales indicadores de impacto ambiental tomados en cuenta en el desarrollo de este trabajo son los tecnológicos y medio ambientales.
Los impactos ambientales que la industria alcoholera genera, provoca una incidencia directa en la población, ya sea por la emisión de partículas, gases contaminantes y residuales, efluentes sólidos y líquidos emitidos que dificultan el saneamiento ambiental de la población, y la afectación de la flora y fauna, fundamentalmente por la vinaza, por tener componentes químicos que son contaminantes refractarios (difíciles de tratamiento) y compuestos orgánicos persistentes (COPs).
El grado o nivel de contaminación por vinaza es considerable y la naturaleza química compleja de sus componentes, ha sido determinante para sugerir y recomendar procesos físicos, químicos y biológicos como mecanismos de tratamiento.
La información entregada por este trabajo se presenta en seis capítulos así como conclusiones y recomendaciones.
ABSTRACT
Waste originating in the alcohol, sugar and derivative industry can become by-products, with a certain economic value and, at the same time, avoid the impact on the environment that would cause its incorrect disposal.
In this monographic investigation we present the impact that the alcohol distillery vinegar has on the environment in agribusiness MAPLE ETANOL S.A. this as an element of special importance in environmental management to analyze the use of a by-product of the process; This will also address the technical impact caused by the vinasse, due to its colloidal nature, in the saturation of the filters through which it passes diluted to the fields, causing a high risk for the deterioration of the pump, key to the technified irrigation of the cultivation lands works.
The main indicators of environmental impact taken into account in the development of this work are technological and environmental.
The environmental impacts that the alcohol industry causes a direct impact on the population, whether by the emission of particles, polluting and residual gases, solid effluents and liquid emitted that hinder the environmental sanitation of the population, and the affectation of flora and fauna, mainly because of the vinasse, for having chemical components that are refractory pollutants (difficult to treat) and persistent organic compounds (POPs).
The degree or level of contamination by vinasse is considerable and the complex chemical nature of its components has been decisive in suggesting and recommending physical, chemical and biological processes as treatment mechanisms.
The information provided by this work is presented in six chapters as well as conclusions and recommendations.
INTRODUCCION
Toda actividad productiva genera residuos (sólidos, líquidos, gaseosos o una combinación de estos) que deben ser tratados y dispuestos de manera que su impacto en la salud humana y al medio ambiente sea el menor posible (Esparza y Campos, 2006). Si estos desechos reciben determinados tratamientos, podrían ser aprovechados, por lo cual dejarían de ser contaminantes, y por otro lado, los convertirían en una fuente adicional de recursos (Fonseca et al., 2002). El proceso de producción de Etanol Anhidro a partir de la caña de azúcar, se caracteriza por la conversión de la melaza y/o jugo de caña en etanol liberando además dos subproductos en el proceso: la vinaza y el dióxido de carbono.
Para desarrollar este trabajo se ha tomado como ejemplo la Empresa MAPLE ETANOL S.A., que produce Etanol Anhidro, dicha industria se encuentra ubicada en el distrito de La Huaca, Provincia de Paita – Departamento de Piura.
La vinaza, que puede definirse como el efluente resultante de la producción de alcohol a partir de la fermentación y la destilación de una materia prima, en este caso, de la caña de azúcar, se caracteriza por ser un líquido de color marrón, olor desagradable y sabor a malta, este residuo presenta pH bajo, altos valores de DQO y DBO, gran contenido de sólidos en suspensión, potasio, calcio, cantidades moderadas de nitrógeno y fósforo, entre otros. Por ello, se considera como un residuo líquido que impacta negativamente el ambiente, especialmente, al recurso hídrico, ya que disminuye la luminosidad de las aguas, la actividad fotosintética, y el oxígeno disuelto, producen además eutrofización del agua, contribuye al aumento de poblaciones de insectos y vectores, y como resultado al desarrollo de enfermedades. El mal manejo de las vinazas, como lo es el vertimiento directo de esta sobre los cauces receptores (ríos, lagos, etc.), así como su disposición directa al alcantarillado, está originando un serio problema de Contaminación Ambiental ocasionando un impacto adverso en la flora y fauna.
Una alternativa para su reutilización es su uso en los campos de cultivo para lo cual se le almacena en las piscinas y dentro de las piscinas de almacenamiento hay telas de filtración, pero debido a la naturaleza coloidal de los sólidos suspendidos (capacidad para adoptar la forma del poro) pasan los diferentes tamaños de partículas, desde gruesas a finas; y la ayuda de la fuerza que se ejerce sobre la tela de filtración, originada por la presión y velocidad de salida del agua de riego, pasan los sólidos suspendidos hacia la zona de succión de la bomba.
Los sólidos suspendidos que llegan a la succión de la bomba, son bombeados al sistema de filtración, y se van acumulando en la parte interna de los filtros formando cada vez natas, mucilagos o flóculos de tamaño grande, que saturan el filtro taponándolo, no permitiendo el paso del agua de riego, minimizando la eficiencia del sistema y ocasionando costos adicionales, sobre todo para realizar la limpieza de los filtros (se requiere mano de obra).
El otro problema potencial que puede ocasionar, es más grave, ya que puede deteriorar el sistema de filtración y el sistema de bombeo, debido a las altas presiones que genera la bomba
Desde el punto técnico, dentro de la constitución química del jugo de caña, se encuentran presentes: fibras (celulosa, pantasana, lignina, fibra leñosa); minerales o cenizas (compuestos que presentan metales como sodio, magnesio y otros micronutrientes); compuestos orgánicos que pueden ser nitrogenados (albuminas, amidas, aminoácidos, proteínas), lípidos (grasas, ceras, fosfolípidos, ácidos grasos libres y combinados, carbohidratos (almidones, dextrinas, pectina, gomas y mucilagos), Estos compuestos orgánicos complejos cuando se mezclan con agua tienden a formar sólidos suspendidos coloidales que si no son removidos causan problemas técnicos, como por ejemplo la saturación de los filtros en el sistema de riego tecnificado, debido sobre todo a los sólidos coloidales de diferente tamaño, que tienden a acumularse en los filtros, no dejando pasar el agua de riego y producir deterioros en los filtros y en el sistema.
Dicho esto, nuestro PROBLEMA queda planteado de la siguientes manera: ¿de qué manera un Plan de Mitigación logra solucionar los problemas Técnico - Ambientales que genera la Vinaza producida por la Empresa MAPLE ETANOL S.A en el distrito La Huaca de la provincia de Paita – Piura? Siendo nuestro OBJETIVO PRINCIPAL: Describir los Impactos Técnico - Ambientales provocados por la presencia de efluentes industriales (vinazas) generados por la Empresa MAPLE ETANOL S.A. y proponer un Plan de Mitigación del cual se desprende nuestros OBJETIVOS SECUNDARIOS: Identificación de los Aspectos Generales de la Empresa MEPLE ETANOL
S.A.
Descripción de la Fuente Formación de la Vinaza y Métodos de Tratamiento.
Descripción del Proceso de Obtención de Etanol Anhidro a partir de la caña de azúcar.
Descripción de la Vinaza, Características Principales y Composición Química.
Diagnóstico de los Impactos Técnico – Ambientales Ocasionados por los Efluentes Industriales (Vinaza) de la Empresa MAPLE ETANOL S.A. Propuesta de un Plan de Mitigación.
JUSTIFICACIÓN:
Los principales aportes de esta investigación monográfica son:
Se plasmará la base teórica y experimental en forma escrita, en vías de solucionar el problema técnico y ambiental de los impactos que ocasionan la vinaza hacia el medio ambiente.
Ayudará a mejorar el sistema de gestión con respecto a los métodos de prevención a emplear en la saturación del sistema de filtros.
Mediante el tratamiento de la vinaza se reducirán o eliminarán los impactos ambientales negativos a la biodiversidad y seres humanos.
Con respecto a la IMPORTANCIA DEL ESTUDIO, podemos argumentar que el presente estudio nos permitirá conocer los Impactos
Técnico – Ambientales provocados por la presencia de efluentes industriales (vinazas) producto de las operaciones de la empresa MAPLE ETANOL S.A.; al evaluar la composición química de la vinaza, se determinará la naturaleza de los contaminantes considerada como un parámetro para determinar los métodos de tratamiento apropiados para la reutilización de este efluente residual.
Es así que se presenta dentro del Plan de Mitigación métodos para tratar la Vinaza y así se reducirán o eliminarán los Impactos Ambientales negativos que ocasionan estos fluentes en los elementos abióticos (aire, agua y suelo) y en los elementos bióticos (flora, fauna y seres humanos), mejorando la calidad de vida de la población. Del mismo modo se eliminará el riesgo del deterioro de la bomba principal, la cual se utiliza para bombear el agua del riego tecnificado hacia los campos de cultivo de la caña. Este riesgo se produce por efecto del fenómeno de saturación de los filtros originado por la acumulación de sólidos coloidales componentes de la vinaza.
CAPITULO I
1. ASPECTOS GENERALES DE LA EMPRESA MAPLE ETANOL S.A.
La Empresa MAPLE ETANOL S.A., es una Empresa que se dedica a la producción de Etanol Anhidro al 99.9° GL (Gay-Lussac) a partir de la caña de azúcar, e incluye la siembra, procesamiento y facilidades de almacenamiento y embarque marítimo. El Etanol obtenido es de uso automotor con calidad de exportación a los países de Ecuador, Brasil y Holanda.
La Empresa MAPLE ETANOL S.A., se ubica en la margen izquierda del Río Chira, en el Distrito de la Huaca, Provincia de Paita, Departamento de Piura. Los terrenos de sembrío están comprendidos dentro de los Distritos de Sullana, Miguel Checa, La Huaca, el Arenal y Paita. Para la fase de almacenamiento y embarque, las actividades se desarrollan principalmente en el Distrito de Paita.
1.1. LÍMITES Y ACCESABILIDAD 1.1.1. Límites de la Empresa:
POR EL NORTE:Con propiedades privadas ubicadas en la ribera baja de la margen izquierda del Río Chira, por donde corre la carretera Sullana – Paita.
POR EL SUR: Con terrenos eriazos de propiedad del Gobierno Regional.
POR EL ESTE: Con terrenos eriazos de propiedad pública y privada.
POR EL OESTE: Con terrenos eriazos del tablazo de Paita, llegando hasta la
zona costera mediante las facilidades de embarques.
Como referencia, la extensión de las parcelas, lotes y propiedades se extienden entre las siguientes coordenadas UTM: E 534,000 a E 490,000; y
1.1.2. Acceso a la Empresa:
La Empresa MAPLE ETANOL S.A., tiene acceso por la carretera asfaltada Sullana-Paita que a su vez se conecta con la Carretera Panamericana Norte en el óvalo de ingreso a la ciudad de Sullana. Existen vías afirmadas y trochas carrozables de penetración a los terrenos de la Empresa, en diferentes puntos de la carretera Sullana - Paita.
1.2. DATOS GEOGRÁFICOS
1.2.1. Clima:
Paita se caracteriza por ser una zona árida y tener un clima desértico. Su área desértica origina un gradiente térmico significante entre el continente y el océano colindante, lo cual ocasiona que el flujo del viento circule libremente, acelerándose superficialmente hacia mar afuera, razón que justifica que sus aguas sean tranquilas en todo el año. La temperatura media anual es de 23°C. En el verano se presentan ocasionalmente lluvias de ligera intensidad; sin embargo con la presencia del fenómeno El Niño, estas pueden ser de moderada y fuerte intensidad. Las bravezas de mar son poco frecuentes, siendo la dirección predominante del oleaje del S y SO.
En el verano se presentan ocasionalmente lluvias de ligera intensidad; sin embargo con la presencia del fenómeno El Niño éstas pueden ser de moderada y fuerte intensidad, alcanzando valores significativos. Las bravezas de mar son poco frecuentes, siendo la dirección predominante del oleaje del S y SO.
1.2.2. Temperatura Ambiental:
La Provincia de Paita presenta una temperatura media anual de 23°C. La temperatura máxima alcanza valores de 33°C (en el mes de febrero que es el más caluroso), y la temperatura mínima de 14°C.
El mes de febrero es el más caluroso; en este mes, se registra una temperatura media de 27.1 °C una mínima de 21.2 °C y una máxima de 36.2 °C. El mes de Julio resulta ser es el mes más frío, con temperatura media de 21.7 °C, una mínima de 14.5 °C y una máxima de 31.4 °C.
1.2.3. Humedad Relativa:
La Humedad Relativa alcanzó valores máximos de 99% y mínimos de 27%. Por su parte, la media anual para el periodo es de 70.3%. En los meses de junio, julio y agosto son los más húmedos, con valores medios de 73%, siendo enero el mes más seco, con una media de 68% seguido de diciembre con una media de 69%.
1.3. RECURSOS NATURALES 1.3.1. Flora:
El tipo de vegetación predominante en el área de los terrenos es el bosque primario de algarrobo, el cual se encuentra dentro de tres zonas de vida; Desierto Desecado – Pacífico Tropical (dd-PT), Desierto Superárido – Pacífico Tropical (ds-PT), Desierto Superárido – Tropical (ds-T) y pequeñas, áreas que corresponden al Matorral Desértico – Tropical (md-T), se han registrado 20 especies de flora silvestre, agrupadas en 10 familias, de estas especies el Palo Santo (Bursera graveolens), se encuentra en Peligro crítico (CR), el Algarrobo (Prosopis pallida), se encuentra en Situación Vulnerable (VU), El bosque de algarrobo presente en la zona de evaluación, está sujeto a una constante extracción ilegal, por lo que se puede afirmar que este hábitat no está en buen estado de conservación. El Faique (Acacia macracantha) y Aromo (Acacia huarango) como especies Amenazado (NT), de acuerdo al D.S. N° 043-2006-AG.
1.3.2. Fauna:
Se registraron 27 especies de aves pertenecientes a 14 familias, y 2 especies de mamíferos, de estas especies ninguna se encuentra registrada como especie protegida por nuestra legislación (D.S. N° 034-2004-AG).
Tabla 1
Mamíferos Identificados en la Zona.
N°
Familia
Especie
Nombre común
Categorización
(D.S. N° 034-2004-AG)
1
anidae
Dusicyon
sechurae
Zorro de Sechura
---
2
ciuridae
Sciurus sp
Ardilla nuca blanca
---
Asimismo, se registraron 08 especies de reptiles, de ellas la Iguana (Callopistes flavipunctatus), se encuentra registrada como especie Casi amenazada (NT) por nuestra legislación (D.S. N° 034-2004-AG).
1.3. ASPECTO SOCIO – ECONÓMICO
Desde el punto de vista socio-económico, la presencia de la planta en la zona influye de manera positiva en el desarrollo de la economía del lugar.
Aspectos Sociales de la Empresa:
Genera más de 1,000 puestos de trabajo Directos y más de 700 puestos de trabajo Indirectos, por actividades de transporte, alimentación, talleres de reparación, entre otros.
1.4. ASPECTO TÉCNICO
1.4.1. Programa de Producción:
La planta opera 24 horas al día en tres turnos, en horarios de lunes a domingo durante todo el año por un periodo de aproximadamente 330 días al año y 35 días de parada por mantenimiento.
1.4.2. Requerimiento de Agua:
En el componente industrial se emplea el agua en las siguientes actividades:
Operación de la Planta Industrial.
Consumo humano y servicios higiénicos.
El requerimiento aproximado es de 21,600 m3/mes.
1.4.3. Materias Primas por Fase de Proceso:
Agua.
Caña de azúcar.
1.4.4. Productos Intermedios:
Alcohol 92° GL. Vinaza.
El alcohol de 92° GL es reciclado para enriquecer la mezcla e incrementar la producción de Etanol Anhidro 99.9° GL. La vinaza es utilizada como componente de las aguas de riego a fin de aprovechar su alto contenido de potasio como fertilizante.
1.4.5. Productos Finales:
El producto final del proceso es el Etanol Anhidro de 99.9° GL (Gay-Lussac), de uso automotor, con un volumen de producción diaria de 400 m3 (105,680 Gal).
CAPÍTULO II 2. MARCO TEÓRICO
2.3. FUENTE DE FORMACIÓN DE LA VINAZA Y MÉTODOS DE TRATAMIENTO
2.3.1. FUENTE DE FORMCIÓN DE LA VINAZA
Considerando las etapas que constituyen el proceso de obtención de Alcohol Anhidro tenemos:
En la etapa de separación jugo y bagazo de la caña de azúcar, el jugo tiene sus componentes naturales (orgánicos e inorgánicos), y los compuestos del bagazo, que disuelve o arrastra, operaciones favorecidas por la acción mecánica en esta etapa. Una de esta mezcla de fibra es el bagacillo (parte fina de fibra del bagazo).
En la etapa de evaporación, como se le quita agua al jugo para concentrar los azúcares totales, también se aumenta la concentración de sólidos totales.
En la etapa de fermentación, se utiliza el jugo concentrado, ácido sulfúrico (para pH de fermentación, hidrólisis ácida de la sacarosa, y es muy posible que forme sulfatos solubles e insolubles), nutrientes (urea, fosfatos) y levaduras. El mayor % del azúcar se transforma en alcohol, igual sucede con los nutrientes, entonces quedando algo de azúcar y ácido, y también y levadura.
En la etapa de centrifugación se separa la levadura y se recicla al fermentador, quedando algo de levadura en la vinaza.
En la etapa de destilación en la primera columna se separa una solución de alcohol etílico y agua de cierta concentración, saliendo del sistema de destilación el efluente conocido como Vinaza. Los componentes que presenta la Vinaza son: agua (gran %), sólidos orgánicos e inorgánicos,
algo de etanol, ácido sulfúrico, levadura, azúcar, y en cantidades muy pequeñas fosfatos y urea.
2.3.2. MÉTODOS DE TRATAMIENTOS DE VINAZA
2.3.2.1. FÍSICO - QUÍMICO
Tabla 2
Tratamiento de la Vinaza por el método Físico - Químico.
Cribado
El cribado es un proceso mecánico que separa los materiales de acuerdo a su tamaño de partícula individual.
Esto se cumple
proporcionando un movimiento en particular al medio de cribado, el cual es generalmente una malla o una placa perforada, esto provoca que las partículas más pequeñas que el tamaño de las aberturas (del medio de cribado) pasen a través de la abertura.
Desarenador
El desarenado tiene como objetivo eliminar partículas más pesadas que el agua, que no se hayan quedado retenidas en el desbaste, y que tienen un tamaño superior a 200 micras, sobre todo arenas Existen tres tipos de desarenadores fundamentales Desarenadores de flujo vertical. Desarenadores de flujo horizontal.
Desarenadores de flujo inducido.Sedimentación
La sedimentación es la separación por la acción de la gravedad de las fases sólida y líquida de una suspensión diluida para obtener una suspensión concentrada y un líquido claro. Se distinguir dos tipos de sedimentación Sedimentación libre.
Sedimentación por zonas. Flotación La flotación es un proceso de separación sólido-líquido o líquido-líquido, la cual es aplicada para partículas cuya densidad es menor que el líquido en la que están. Existen tres tipos de flotación: Flotación natural. Flotación ayudada.
Flotación inducida. Coagulación/Floculación Coagulación: Desestabilización de un coloide producida por la eliminación de las dobles capas eléctricas que rodean a todas las partículas coloidales, con la formación denúcleos microscópicos esto se logra .con ayuda de aditivos.
Floculación: Aglomeración de
partículas desestabilizadas primero en microflóculos, y más tarde en aglomerados voluminosos llamados flóculos.
Filtros a Vacío
Es un método físico que se utiliza para separar mezclas heterogéneas de un sólido en un solvente o mezcla en reacción líquida. Mediante el paso de la mezcla a través de un elemento poroso filtrante, llamado filtro.
Filtro de Banda de Vacío.
Filtro Rotativo de Vacío.
Centrifugación Es un método por el cual se
pueden separar sólidos de líquidos de diferente densidad mediante una fuerza centrífuga.
Los componentes más densos de la mezcla se desplazan fuera del eje de rotación de la centrífuga, mientras que los componentes menos densos
de la mezcla se desplazan hacia el eje de rotación.
Intercambio iónico
Las resinas de intercambio iónico tienen la capacidad, en contacto con una solución acuosa, de eliminar selectivamente los iones disueltos, mantenerlos temporalmente unidos en combinación química y cederlos de nuevofrente a una solución fuerte de regenerante.
Ultrafiltración
Es el tipo de filtración que utiliza membranas para separar diferentes tipos de sólidos y líquidos. El tamaño de poro es de 0.001 – 0.1 µm. no es tan fino como en la Nanofiltración y tampoco requiere tanta energía para efectuar la separación, y es más pequeño que el de las
membranas de
microfiltraciones.
La membranas de
Ultrafiltración están dispuestas en forma de capilares y están construidas con materiales plásticos que son porosos semipermeables.
Osmosis – Inversa
Es el paso espontáneo de moléculas de agua de una solución diluida a una solución concentrada a través de una membrana semipermeable que permite el paso del agua pero no de las sales disueltas.. Aplicando a la solución concentrada una presión superior osmótica el proceso se invierte. Este fenómeno se conoce como "ósmosis inversa".
2.1.2.2. BIOLÓGICOS A. AEROBIOS
Los tratamientos aerobios son aquellos en que la biomasa está constituida por microorganismos aerobios o facultativos, consumidores de oxígeno. El carbono de la materia orgánica disuelta en el agua se convierte parcialmente en CO2, con producción de energía, y en parte es anabolizada para sintetizar materia celular.
Los principales microorganismos presentes en un proceso aerobio son, por lo general, los siguientes:
Bacterias: Constituyen el 95% de la biomasa (formadoras de floculo, filamentosas, nitrificantes, etc.)
Hongos: Son poco comunes en los sistemas de tratamientos de aguas residuales urbanas. Su presencia en abundancia se asocia, por lo general, a condiciones de pH demasiado bajos. Pueden ser usuales en procesos industriales.
Protozoos: Son heterótrofos, y se encuentran libremente en la naturaleza, son predadores de las bacterias, son: Flagelados,
Rizópodos (Amebas), Ciliados (pedunculados, libre nadadores, libres reptantes, suctores, etc.).
Algas: Su importancia estriba, no tanto por su capacidad de depuración sino por su capacidad fotosintética, aportando oxígeno. Por ser autótrofas permiten el aumento de la materia orgánica sintetizando el carbono mineral.
Metazoos: Son animales pluricelulares, muy abundantes en los sistemas que emplean soporte fijo. Se alimentan de sustrato y de bacterias. (Rotíferos, Nematodos, Oligoquetos, etc.).
Tabla 3
Tratamiento de la Vinaza por el método Biológico – Aerobio.
Suspendidos Lecho Fijo
Lagunas
Son grandes estanques donde se mantienen la actividad aeróbica con ayuda de aireación mecánica o por difusores normalmente, el efluente de la laguna contiene material en suspensión correspondiente a los microorganismos que se han reproducido en la laguna, con una concentración en el rango 008 – 04 (kg/m3 ).
Filtros Biológicos
Proceso biológico utilizado como “desbaste” para reducir material orgánico en agua residual de alta carga orgánica, utilizando un material permeable, plástico, como empaque para favorecer el contacto del agua con los microorganismos adheridos a este empaque.
Lodos Activados
En este proceso, los microorganismos se encuentran en suspensión en las aguas residuales. La aireación del agua residual en el tanque de aireación suministra oxígeno a los microorganismos aerobios. Como resultado del metabolismo se agrupan en flóculos, que constituyen el llamado lodo activado.
.
Biodiscos
Consiste en una serie de discos de gran diámetro, parcialmente sumergidos en una balsa que contendrá agua residual, están provistos de un movimiento giratorio lento, que provoca el contacto dinámico de la superficie con las masas de aguas residuales será responsable del proceso de degradación de las sustancias biodegradables.
Infiltraciones
Es un proceso de depuración por filtración biológica aerobia sobre un medio granular finos.
B. ANAEROBIOS:
Tabla 4
Tratamiento de la Vinaza por el método Biológico – Anaerobio.
Lagunas Anaerobias:
Las lagunas anaerobias son únicamente cuerpos receptores del agua de desecho, en las que reposa a cielo abierto, lo que representa una desventaja por la producción de olores que hacen desagradables el proceso, por otro lado, el gas producido por la acción bacteriana no es recuperado debido a su forma de operaciones, las lagunas anaerobias requieren de tiempos de residencia de las lagunas muy prolongadas,
pudiendo llegar estos a ser hasta de tres meses.
Digestores Es una fermentación, en ausencia de oxígeno, estabiliza la materia orgánica, transformándolas, en el mayor grado posible, en gas metano y anhídrido carbónico.
La digestión anaerobia se lleva a cabo en unos depósitos circulares cerrados, llamados digestores.
Filtros Anaerobios El filtro anaerobio está constituido por un tanque o columna, relleno con un medio sólido para soporte del crecimiento biológico anaerobio
Filtros Anaerobios Con
Flujo Ascendente
(FAFA). Reactor Uasb
Este modelo, basado en
el reactor Clarigester
que
combinaba
el
sediementador es un
solo tanque. Funciona
como una alimentación
de
agua
residual
suministrada por la parte
inferior
del
reactor,
procurando distribuir el
flujo de modo uniforme
para
provocar
una
turbulencia
tal
que
permite la formación de
un lecho de lodo con un
cierto
grado
de
expansión.
2.2. CONCEPTOS BÁSICOS
2.2.1. Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO):
Se usa como una medida de la cantidad de oxigeno requerido para la oxidación de la materia orgánica biodegradable presente en una muestra de agua, como resultado de la acción de la oxidación bioquímica aerobia (Ramalho, 1993).
2.2.2. Demanda Química de Oxígeno (DQO):
Corresponde a la cantidad de oxigeno requerido para oxidar la fracción orgánica de una muestra susceptibles de oxidación al dicromato o permanganato, en medio de ácido bajo condiciones específicas de tiempos y temperatura (Ramalho, 1993).
2.2.3. Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV):
Los Sólidos Suspendidos Totales (SST), son la porción de sólidos que son retenidos por un filtro, de los cuales se desprenden los Sólidos Suspendidos Fijos (SSF) y los Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV), los primeros corresponden al residuo de los SST después de someterse a ignición durante un tiempo determinado y a una temperatura especifica; los SSV corresponden a la pérdida de peso por ignición (APHA, 1992). La fracción volátil del total de sólidos biológicos en suspensión se usa como una aproximación de la masa biológica activa (Metcalf y eddy, 1991).
CAPITULO III
3. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE LA CAÑA DE AZÚCAR
3.1. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DEL ETANOL ANHIDRO
Considerando las etapas que constituyen el proceso de obtención del Etanol Anhidro y la Vinaza como sub producto, a continuación, se detalla el Diagrama de Flujo:
Figura 2: Diagrama de Flujo de obtención de Alcohol Anhidro a partir de la Caña de Azúcar.
3.2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
3.2.1. Preparación de la Caña:
La caña es descargada en una mesa alimentadora que está preparada para manejar caña picada o caña entera. La caña es colocada en una faja transportadora que tiene una parte horizontal y una parte inclinada, la parte horizontal tiene por lo menos 6 metros de longitud, la inclinación máxima es de 22°. La velocidad de la faja transportadora es variable y controlada por el sistema de alimentación del difusor. Un juego de cuchillas instaladas en la parte inclinada corta y nivela la caña en la faja transportadora preparándola para el picador o desmenuzador de caña.
El picador o desmenuzador es del tipo de alimentación por el tope. Recibe la caña proveniente de la parte final de la faja transportadora. De esta, la caña cae en una faja de caucho de alta velocidad. La velocidad estará limitada por el consumo de potencia del juego de cuchillas y del propio desmenuzador, y será tal que mantenga baja la altura de la caña en el desmenuzador, facilitando que cualquier objeto metálico sea removido por un electroimán. La faja de caucho entrega la caña al sistema de alimentación del Difusor.
3.2.2. Extracción de Jugos:
El método de extracción es por el sistema de difusión. La capacidad nominal del difusor es de 5,000 t de caña por día con una extracción de al menos 98%, y, es capaz de llegar a las 6,000 t de caña, sin que la extracción caiga por debajo de 96,5%. La extracción es medida como porcentaje de Pol en la mezcla de jugos. El tiempo de residencia es de 1 hora.
Un mecanismo de rompimiento de lecho es provisto para asegurar la permeabilidad de los jugos en el difusor. El difusor tiene un sistema de calentamiento para mantener la caña y los jugos a la temperatura adecuada.
Cuenta con un sistema de extracción de agua del bagazo de caña antes que salga del difusor, de manera tal que el contenido de humedad no supere el 80%.
Después del difusor un molino de 4 rodillos seca el bagazo hasta un promedio de 50% o menos de humedad. El molino es accionado por motores hidráulicos instalados en cada uno de los ejes. El cuarto rodillo es accionado de forma separada.
El bagazo pasa del difusor al molino a través de un chute Donnelly de 4 metros de altura, el nivel en el chute es controlado por la velocidad de los rodillos.
3.2.3. Tratamiento de Jugos:
El único tratamiento que se le da al jugo es una ligera evaporación. El jugo proveniente del difusor tiene una clarificación parcial debido a la adición de cal y al efecto de filtrado del bagazo de caña. La calidad de este jugo es suficientemente buena para la fermentación. La idea de la evaporación es conseguir que:
Incrementando la concentración automáticamente se disminuya el volumen de vinaza y se alcance más fácilmente el punto azeotrópico (menor reflujo).
La calidad del jugo es estandarizada de manera que siempre se tenga las mismas o muy cercanas condiciones de fermentación.
Los evaporadores son de acero inoxidable y cuentan con un sistema químico de limpieza. Como la cogeneración es un factor importante en el proceso, se optó por un evaporador de efecto múltiple para minimizar la cantidad de vapor requerido. El condensador es de tipo Multijet.
El vapor después del primer uso en la evaporación, es re-usado también para:
Segunda etapa de evaporación. Calentamiento de jugos en el difusor. Calentamiento del agua de imbibición. Calentamiento directo en el difusor.
3.2.4. Preparación y Fermentación de Jugos:
La fermentación es de tipo Batch. Posteriormente se evaluará la instalación de un sistema de fermentación continua.
En la etapa de fermentación los jugos son primero enfriados en un intercambiador y diluidos si es necesario para corregir el brix.
En el sistema por Batch, cada depósito de fermentación tiene su propio sistema de enfriamiento por intercambiador de calor y con reciclaje del agua del enfriamiento utilizada.
El tiempo de fermentación es aprox. de 8 a 10 horas. Todo el licor (zumo fermentado) es enviado a un sistema de centrífugas para separar las levaduras arrastradas, las que son tratadas con agua y ácido sulfúrico antes de ser recicladas a los fermentadores. El licor despojado de levaduras de las centrifugas es enviado al destilador.
3.2.5. Destilación:
El destilador tiene una capacidad nominal de 18.5 m3/hora o 444 m3 de etanol anhidro/día de 24 horas. La producción promedio es de 400 m3 /día. (105,680 gal/día).
El licor que será conducido hacia la destilería, será previamente calentado en una columna de rectificación por condensadores de reflujo, así como por un intercambiador de calor que utiliza como fluido de calentamiento la vinaza recirculada resultante del proceso, la cual de esta manera a su vez es enfriada.
Los componentes más volátiles son obtenidos en primer lugar por el tope de la columna de destilación; estas columnas producen un alcohol de calidad inferior (+/- 92 grados GL) que representa del 1 al 3% de la
producción de etanol. Este alcohol es almacenado y vendido como tal o retornado a la alimentación de la columna para ser enriquecido, según las necesidades y condiciones del proceso.
Después de esta etapa, el licor ingresará a la columna de destilación principal, la vinaza es retirada de la columna hacia el intercambiador de calor
de licores. La columna de destilación es calentada indirectamente por un caldero tubular.
Los vapores de etanol que salen de la columna de destilación se dirigen al fondo de la columna de rectificación. Esta columna no es calentada externamente, el calor del vapor es suficiente para que la rectificación se realice. Los condensados del fondo de la columna de rectificación son recirculados hacia la columna de destilación.
A una altura apropiada los fusel oil (líquidos que contienen alcohol amílico) son extraídos de la columna de rectificación, enfriados y enviados a un lavador/decantador para separarlos del etanol que podrían contener. El etanol retorna al proceso y el fusel oil es almacenado para su venta posterior.
Los vapores rectificados que salen del tope de la columna de rectificación van a los condensadores de reflujo. El primero de estos condensadores es el primer calentador de licor mencionado anteriormente; los otros condensadores son de enfriamiento por agua. Todo el alcohol condensado retorna al tope de la columna de rectificación.
El etanol rectificado hidratado a alrededor de 96 grados GL sale de la columna y se dirige hacia un enfriador para ser almacenado como tal, o es enviado al tanque de alimentación de la planta de deshidratación.
La columna de rectificación estará diseñada para recibir el agua de lavado de la planta de deshidratación, la cual puede contener cantidades significativas de etanol.
3.2.6. Deshidratación del Etanol:
El etanol líquido es vaporizado en un evaporador hasta obtener una temperatura y presión adecuadas. El etanol vaporizado se pasa a través de un tamiz molecular que contiene resinas de zeolita las cuales capturan las
moléculas de agua. El etanol al 99.9% libre de agua es condensado y enviado hacia un tanque de medición.
Se cuenta con dos juegos de tamices moleculares, de manera que cuando uno esté en regeneración de zeolita, el otro está operando.
El método de balanceo o viraje de presión es usado para regeneración. El tamiz molecular es sometido a presión negativa (vacío) para remover las moléculas de agua en forma de vapor. Estos vapores, que contienen una cantidad regular de etanol, son condensados y enviados a la columna de rectificación del destilador.
CAPÍTULO IV
4. VINAZA, CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES, COMPOSICIÓN
QUÍMICA
4.1. VINAZA:
La vinaza es un subproducto líquido resultante del proceso de obtención de etanol, ya sea por destilación de melaza fermentada o de la fermentación directa de los jugos de la caña. Esta se produce en una proporción de 13:1, es decir, por cada litro de etanol se obtienen 13 litros de vinaza. De acuerdo con Ferreira y Montenegro (1987) esta proporción puede variar entre10:1 y 15:1.
Las vinazas contienen materia orgánica microbiana proveniente de los residuos de la levadura, sales, restos de bagazo, residuos de alcohol, azúcares.
La caña de azúcar es una gramínea con mecanismos fisiológico C4, lo que la hace sumamente eficiente en la utilización del agua y la luz en la asimilación del CO2 para la producción de azucares, proceso en el cual absorbe cantidades considerables de potasio. Por ello este elemento es el más abundante en la composición de la vinaza (Gómez, 1996).
Puesto que su origen es la planta de caña, la vinaza está compuesta por materiales orgánicos y nutrientes minerales que hacen parte del compuesto y constituyen vegetales como aminoácidos, proteínas, lípidos, ácidos diversos, enzimas, bases, ácidos nucleicos, clorofila, lignina, esquemas, ceras, azucares y hormonas.
4.2. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES:
La vinaza cuando es colectada en las piscinas, presenta un color pardo claro y en la medida que está expuesta al aire se oxida, oscureciéndose, de olor desagradable, temperatura cercana a 100°C y con un pH medianamente ácido (3,5-4,5). Las Vinazas están compuesta por un 93% de
agua, 2% de compuestos inorgánicos (potasio, calcio, sulfatos, cloruros, nitrógeno, fósforo, etc.), y de un 5% de compuestos orgánicos que volatilizan al ser calentados a 65° C (Pérez y Garrido, 2006). La presencia de ácido sulfúrico libre (utilizado para la fermentación) da propiedades corrosivas al sub producto.
La composición química de la vinaza indica que la materia orgánica es el principal constituyente y entre los minerales, el potasio en conjunto con el calcio son los más sobresalientes, pero normalmente pobre en fósforo (Korndörfer, 2004).
Tabla 5
Características medias de Vinaza de diferentes sustratos de caña.
INDICADOR Melaza de caña azucarera Jugo de caña azucarera Mezcla de jugos de caña energético y melaza de caña pH 4.0 – 5.0 3.7 – 4.6 4.0 – 4.8 Demanda biológica de oxigeno (DBO), mg/L 25000 - 30000 6000 - 16500 10000 - 13000 Demanda química de oxígeno (DQO), mg/L 65000 - 70000 15000 - 33000 30000 - 42000 Sólidos Totales (ST), mg/L 81500 23700 45500 Sólidos Volátiles (SV), mg/L 60000 30000 28000 N, mg/L 450 - 1610 150 - 700 300 - 900 P, mg/L 180 - 290 10 - 210 100 - 180 K, mg/L 450 - 5100 130 - 1540 350 - 2100 Relación carbono (C)/N 16.0 – 16.3 19.7 – 21.1 17.3 – 18.6 Materia Orgánica, mg/L 63400 19500 40000 Azúcares Reductores, mg/L 9500 7900 11000
Tabla 6
Características de Vinaza de Caña de Azúcar
ANÁLISIS UNIDAD VINAZA 50% ST VINAZA 10% ST
Mat. orgánica 0.39 14 - 23 N Kg/ m³ 2.75 0.63 – 1.14 P Kg/ m³ 0.56 0.07 – 0.25 K Kg/ m³ 59.8 28.56 Ca Kg/ m³ 1.90 9.60 Mg Kg/ m³ 9.00 4.37 S Kg/ m³ 2.19 3.88 Na Kg/ m³ 2.52 0.68 Cu Kg/ m³ 0.006 0.00048 Fe Kg/ m³ 0.278 0.09775 Mn Kg/ m³ 0.36 0.12 Zn Kg/ m³ 0.016 0.0065 pH Kg/ m³ 4.3 – 4.5 3.5 – 4.3 Densidad Kg/ m³ 1.35 1.03 Cond. Elect. dS/m 17.0 11.0
Tabla 7
Resultados del Análisis de la Vinaza de la Empresa MAPLE ETANOL S.A.
INDICAD OR / FECHA
BRIX ETANOL SÓLIDOS SUSPEN DIDOS pH Conducti vidad STD UM % % (V/V) % (W/W) mS/cm g/L LIMITE DE CALIDA D Máx. 1 Máx. 0.1 Máx. 0.3 Mín. 4.0 Máx. 2.4 12-abr 1.7 0.05 0.255 4.18 8.22 - 19-abr 0.9 0.13 0.114 3.81 - -
20-abr 1.05 0.225 0.292 3.95 7.04 - 23-abr 1.3 0.19 0.363 4.05 8.53 - 24-abr 1.333 0.21 0.113 4.04 8.475 - 25-abr 1.333 - 0.12 3.86 8.98 - 26-abr 2.1 - - 3.98 9.55 - 27-abr 1.85 - 0.248 3.875 9.99 - 28-abr 1.733 0.16 0.154 3.78 9.877 - 29-abr 2.7 - - 3.9 10.26 - 06-may 2.4 - 0.111 3.8 - 5.207 10-may 2.93 - 0.646 3.475 9.575 4.678 11-may 3.5 0.277 0.132 3.623 10.327 5 12-may 4.25 0.17 0.104 3.68 9.84 5.1 13-may 3 - 0.11 3.6 10.528 5.232 14-may 2.55 - 0.106 3.815 11.195 5.485 15-may 2.54 0.253 0.142 3.802 12.752 6.191 16-may 2.125 - 0.439 3.91 12.928 6.369 17-may 2.25 0.14 0.128 4.12 13.83 6.749 18-may 2.5 0.04 0.0148 3.975 11.95 5.802 19-may 2.1 0.19 0.103 3.925 10.865 5.345 20-may 2.025 0.5 0.139 6.268 10.31 4.983
Nota: Recuperado de “Año 2017”.
4.3. COMPOSICIÓN QUÍMICA:
Entre los compuestos identificados, los de mayor concentración están el glicerol, el ácido láctico y el sorbitol; debido a su importancia comercial, resulta interesante adelantar evaluaciones técnico – económicas para estudiar la ruta de extracción y aprovechamiento de éstos y los restantes compuestos de la vinaza.
Otro estudio por desarrollar consiste en identificar la asimilación y transformación que la flora microbiana de los suelos puede hacer a partir de
los compuestos orgánicos e inorgánicos presentes en la vinaza, y conocer su efecto en el mejoramiento de la productividad agrícola (MORALES, 2004).
Tabla 8
Composición de la Vinaza concentrada (64.8° BRIX).
COMPUESTO
CONCENTRACIÓN(%m/m)
2,3 Butanodiol
0.01
2- metil-1,3-butanodiol
0.20
Glicerol
2.70
Sorbitol
1.40
Ácido láctico
1.30
Ácido Succinico
0.07
Ácido málico
0.23
Ácido Aspartico
0.05
Ácido Aconitico
0.80
Ácido Cítrico
0.80
Ácido Quínico
0.70
β-Fructofuranosa
0.50
α-glucopiranosa
0.30
Sacarosa
0.20
Trehalosa
0.30
Nota: Recuperado de “Laboratorio Sucromiles - Colombia.
4.4. QUÍMICA DE LOS SÓLIDOS TOTALES (ST) DE LA VINAZA:
Los sólidos totales están constituidos por los sólidos inorgánicos (solubles e insolubles) y los sólidos orgánicos complejos y simples (solubles e insolubles).
4.4.1. Sólidos Orgánicos:
Son de naturaleza compleja (mayor %) y simple (menor %). Los sólidos de naturaleza compleja constituyen en su totalidad los sólidos suspendidos totales; y los de naturaleza simple son los solubles. Los complejos generalmente en el agua forman sólidos coloidales.
Azúcares: Son solubles en el agua y están constituidos por monosacáridos (glucosa, fructosa) y disacáridos (sacarosa). Mediante un acondicionamiento estas sustancias se hidrolizan a glucosa, insumo fundamental para el proceso de fermentación.
Proteínas: Son polímeros naturales cuyo monómeros son los aminoácidos (solubles en agua). Son macromoléculas que presenta un alto contenido de nitrógeno y alto peso molecular. Presentan estructuras primarias, secundarias, terciarias y cuaternarias (más compleja). Se desnaturalizan por efecto de la temperatura y agentes físicos y químicos, con el agua tiende a formar sólidos suspendidos insolubles tipo coloidal.
Almidones: Son carbohidratos que pertenecen a los polisacáridos cuyos monómeros son exclusivamente glucosas. Son molécula de alto peso molecular constituido por la amilosa (300 moléculas de glucosa unidas en forma lineal) y la amilopectina (1000 moléculas unidas en forma lineal y ramificada). Forman geles en agua y su formación es estimulada por el aumento de temperatura.
Fibra: Es un sistema formado por carbohidratos (celulosa, pentosanas, araban), tejido leñoso, lignina. Constituyen la parte estructural de tallos, frutos, etc.
Lignina: Es un polímero muy complejo y variable, cuyos monómeros son derivados del fenilpropeno. Es muy resistente a los ácidos fuertes y al calor, no se hidroliza. Es posible degradarla con soda caustica concentrada y agua oxigenada alcalina. Es considerada como una impureza muy importante en la industria de la madera y papel. Desde el punto de vista ambiental origina contaminación refractaria por lo que es muy difícil biodegradable.
Gomas y mucilagos: Son polímeros heterogéneos, reticulares de hexosas, pentosas y ácidos urónicos, principalmente de L-arabinosa, D-galactosa, L-ramnosa y ácido D-glucurónico. Se hinchan con el agua absorbiéndola en gran cantidad dando como resultado un aspecto gelificante y coloidal.
Pectinas: Material principal en la unión de las células vegetales. Está formada por unidades de éster metílico del ácido galacturónico. Su tamaño molecular es del orden de 100 – 300 eslabones. Formar geles a pH ácido o en presencia de sacarosa reteniendo el agua produciendo una consistencia gelificante o coloidal.
Ceras: Son esteres que resultan de la reacción de un ácido graso (cadena de C grande con el grupo carboxílico) con un alcohol graso (cadena de C grande con grupo oxhidrilo). Son muy insolubles en agua y pueden enlazarse con otros compuestos orgánicos complejos para formar mezclas de naturaleza gelificante o coloidal.
4.4.2. Sólidos Inorgánicos:
Son sólidos que tienen naturaleza química iónica, se encuentran formando sales inorgánicas, tienen en su estructura metales y también pueden encontrarse formando compuestos de coordinación más conocidos como complejos, quelatos o ligandos. En el jugo de la caña generalmente están
presentes como sales solubles y en forma de: cloruros, sulfatos, carbonatos, nitratos de sodio, potasio, calcio, magnesio y otros micronutrientes (cobre, zinc, etc.).
CAPITULO V
5. ASPECTO AMBIENTAL
5.1. EVALUACIÓN DE CONTAMINANTES DE AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL
Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), el agua está contaminada cuando su composición se haya alterado de modo que no reúna las condiciones necesarias para ser utilizada beneficiosamente en el consumo del hombre y de los animales.
Los contaminantes del agua se pueden dividir en dos grupos: contaminantes disueltos y sólidos suspendidos.
5.1.1. Contaminantes Disueltos:
Agentes patógenos (Bacterias, virus, protozoarios, parásitos).
Sustancias químicas inorgánicas (Ácidos, Mercurio, Plomo).
Sustancias químicas orgánicas (Petróleo, plásticos, plaguicidas, detergentes, Sedimentos).
materia suspendida.- Partículas insolubles de suelo que enturbian el agua y que son la mayor fuente de contaminación.
Sustancias radiactivas que pueden causar defectos congénitos y cáncer.
Ingresos, de agua caliente que disminuyen el contenido de oxígeno y hace a los organismos acuáticos muy vulnerables.
5.1.2. Sólidos Suspendidos:
Consiste en partículas muy pequeñas, que no se pueden quitar por medio de deposición. Pueden ser identificadas con la descripción de características visibles del agua, incluyendo turbidez y claridad, gusto, color y olor del agua:
Turbidez y Claridad, la materia suspendida en el agua absorbe la
luz, haciendo que el agua tenga un aspecto nublado. La turbidez se puede medir con varias diversas técnicas, esto demuestra la resistencia a la transmisión de la luz en el agua.
Sentido del gusto, puede detectar concentraciones de algunas
décimas a varios centenares de PPM y el gusto puede indicar que los contaminantes están presentes, pero no puede identificar contaminantes específicos.
Color, puede sugerir que las impurezas orgánicas estén presentes.
En algunos casos el color del agua puede ser causado incluso por los iones de metales. El color es medido por la comparación de diversas muestras visualmente o con un espectrómetro. Éste es un dispositivo que mide la transmisión de luz en una sustancia, para calcular concentraciones de ciertos contaminantes. Cuando el agua tiene un color inusual esto generalmente no significa una preocupación para la salud.
Olor, puede ser útil, porque el oler puede detectar generalmente
incluso niveles bajos de contaminantes. Sin embargo, en la mayoría de los países la detección de contaminantes con olor está limitada a terminantes regulaciones, pues puede ser un peligro para la salud cuando algunos contaminantes peligrosos están presentes en una muestra.
La cantidad total de sólidos suspendida puede ser medida filtrando las muestras a través de una membrana y secando y pesando del residuo. La materia suspendida se expresa en PPM (partes por millón), generalmente mg/l.
5.1.3. Análisis Cuantitativos de la Calidad del Agua:
La calidad del agua se puede también determinar por un número de análisis cuantitativos en el laboratorio, tales como pH, sólidos totales (TS), la conductividad y la contaminación microbiana.
El pH es el valor que determina si una sustancia es ácida, neutra o
básica, calculado el número de iones de hidrógeno presentes. Se mide en una escala a partir de 0 a 14, en la cual en el medio, es decir 7 la sustancia es neutra. Los valores de pH por debajo de 7 indican que una sustancia es ácida y los valores de pH por encima de 7 indican que es básica. Cuando una sustancia es neutra el número de los átomos de hidrógeno y de oxhidrilos es igual. Cuando el número de átomos de hidrógeno (H+) excede el número de átomos del oxhidrilo (OH-), la sustancia es ácida.
Esto es lo que la escala de pH parece: pH 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ácido neutro básico.
El nivel de pH tiene un efecto en muchas fases del proceso de tratamiento de las aguas y afecta a la formación de costras de las fuentes de agua. El nivel de pH se puede determinar con varios métodos de análisis, tales como indicadores del color, pH-papel o pH-metros.
Los Sólidos Totales (ST) son la suma de todos los sólidos disueltos
y suspendidos en el agua. Cuando el agua se analiza para los ST se seca la muestra y el residuo se pesa después. ST pueden ser tanto las sustancias orgánicas como inorgánicas, los microorganismos y partículas más grandes como la arena y arcilla.
La Conductividad significa la conducción de la energía por los iones.
La medida de la conductividad del agua puede proporcionar una visión clara de la concentración de iones en el agua, pues el agua es naturalmente resistente a la conducción de la energía. La conducción se expresa en Siemens y se mide con un conductivimetro o una célula.
La Contaminación Microbiana es dividida en la contaminación por
los organismos que tienen la capacidad de reproducirse y de multiplicarse y los organismos que no pueden hacerlo. La contaminación microbiana puede ser la contaminación por las bacterias, que es expresada en Unidades Formadoras de Colonias (UFC), una medida de la población bacteriana. Otra contaminación microbiana es la contaminación por pirogen. Pirogenes son los productos bacterianos que pueden inducir fiebre en animales de sangre caliente. Después de bacterias y de pirogen las aguas se pueden también contaminar por los virus.
Los análisis se pueden también hacer por medidas del carbón orgánico total (COT) y por la demanda biológica y química de oxígeno. La DBO es una medida de la materia orgánica en el agua, expresada en mg/l. Es la cantidad de oxígeno disuelto que se requiere para la descomposición de la materia orgánica. La prueba de la DBO toma un período de cinco días. La DQO es una medida de la materia orgánica e inorgánica en el agua, expresada en mg/l es la cantidad de oxígeno disuelto requerida para la oxidación química completa de contaminantes.
5.2. EVALUACIÓN DE LA CONTAMINACIÓN POR VINAZA
El alcohol etílico para uso combustible se produce mediante el proceso de fermentación usando como materia prima el jugo de la caña de azúcar. Este jugo presenta entre 10 – 15 °Bx (% de azucares totales), agua y otros compuestos complejos (polímeros naturales, fibra, minerales, compuestos nitrogenados ceras, gomas y otros).
Para el proceso biotecnológico de fermentación se requiere acondicionar sobre todo los azucares que tiene el jugo de la caña para llevarlos a monosacáridos, que son los insumos necesarios y las formas químicas que puedan sufrir este proceso.
El agua y los otros constituyentes del jugo, siguen por las diferentes etapas del proceso hasta obtener alcohol etílico anhidro, originando efluentes
residuales conocidos como vinaza (agua + sales minerales + sólidos solubles e insolubles orgánicos complejos.
Se sabe aproximadamente que para producir un litro de alcohol etílico combustible se generan 10 - 15 litros de Vinazas. En la Empresa MAPLE .S.A se está generando entre 63,000 – 65,000 m3/mes (52-55 litro/seg), que se considera un caudal muy grande. La Vinaza es un gran problema en todas las destilerías del mundo, por que ocasiona problemas ambientales, técnicos, socio-económicos y financieros para los actores considerados en esta actividad productiva.
Desde el punto de vista ambiental, causa problemas porque presenta contaminación fuerte debido a la presencia de contaminantes refractarios (difícil y costoso tratamiento), como son los compuestos polifenólicos, que se consideran como compuestos orgánicos persistentes (COPs), ya que se consideran como materia orgánica no biodegradable.
El caudal de vinaza que genera esta industria, causaría un impacto ambiental muy fuerte, como si este impacto fuera generado por aguas residuales domésticas que generan 357,560 habitantes (población equivalente), que es demasiado según la normatividad vigente.
Desde el punto técnico, dentro de la constitución química del jugo de caña, se encuentran presentes: fibras (celulosa, pantasana, lignina, fibra leñosa); minerales o cenizas (compuestos que presentan metales como sodio, magnesio y otros micronutrientes); compuestos orgánicos que pueden ser nitrogenados (albuminas, amidas, aminoácidos, proteínas), lípidos (grasas, ceras, fosfolípidos, ácidos grasos libres y combinados), carbohidratos (almidones, dextrinas, pectina, gomas y mucilagos), Estos compuestos orgánicos complejos cuando se mezclan con agua tienden a formar sólidos suspendidos coloidales que si no son removidos causan problemas técnicos, como por ejemplo la saturación de los filtros en el sistema de riego tecnificado, debido sobre todo a los sólidos coloidales de diferente tamaño, que tienden a
acumularse en los filtros, no dejando pasar el agua de riego y producir deterioros en los filtros y en el sistema.
La Empresa Maple S.A. para evitar que la vinaza contamine las fuentes de agua dulce, la está empleando como parte del agua de riego, mezclándola con agua superficial, para el riego de las plantas de caña de azúcar, y también para aprovechar su materia orgánica con sus nutrientes
La vinaza se mezcla con agua dulce superficial en una proporción de dilución de 1:100, dando origen al agua de riego que se utiliza en los campos. Cuando se realiza la dilución la concentración de sólidos totales disminuye cien veces, pero como cantidad no varía, es decir si inicialmente en la vinaza hay por decir 100 Kg de sólidos, cualquiera que sea la dilución llegará 100 Kg. de sólidos a las piscinas de los DPS.
5.3. POBLACIÓN EQUIVALENTE
Caudal de vinaza salida de planta etanol Q = caudal de Vinaza = 2,167 m3/d
[DBO] = 8,250 mg DBO/L = 8.25 Kg DBO/m3 Contribución per cápita = 0.05 Kg DBO/hab. – d. Carga DBO diaria = 2,167 X 8.25
= 17,878 Kg DBO/d.
Población equivalente DBO = contribución percapitacarga DBO diaria = 178780.05
= 357,560 habitantes
Esto quiere decir que el caudal de Vinaza (2,167m3/d) es efluente residual como si 357,560 habitantes generarían aguas residuales domésticas.
5.4. MARCO NORMATIVO
Marco legal: Decreto Supremo N 004-2017 - MINAM (Estándar Nacional de Calidad Ambiental para Agua, Categoría 3: Actividades de Riego
de Vegetales de Tallo Bajo y Tallo Alto), AAFCO (Association of American Feed Control Officials) y Comisión Nacional del Medio Ambiente - CONAMA (Contenido máximo de elementos traza en materias primas para compostaje).
5.4.1. ESTÁNDARES DE CALIDAD AMBIENTAL DECRETO SUPREMO N° 004-2017- MINAM
El Estándar de Calidad Ambiental (ECA) es la medida que establece el nivel de concentración o del grado de elementos, sustancias o parámetros físicos, químicos y biológicos, presentes en el aire, agua o suelo, en su condición de cuerpo receptor, que no presenta riesgo significativo para la salud de las personas y del medio ambiente.
Los Estándares son aplicables a los cuerpos de agua del Territorio Nacional en su estado natural y son obligatorios en el diseño de normas legales y las políticas públicas siendo un referente obligatorio en el diseño y aplicación de todos los instrumentos de la gestión ambiental.
El tratamiento de las Vinazas está orientado a cumplir con la categoría 3 y 4 de los Estándares de Calidad Ambiental para Agua. La categoría 3 es el riego de vegetales y bebidas de animales. Es posible aprovechar el efluente tratado de las vinazas para riego de vegetales como contiene alto grado de materia orgánica y nutrientes como el Nitrógeno Fosforo y Potasio.
Tabla 9
Estándares de Calidad Ambiental – categoría 3: Riego de Vegetales y de Bebidas de Animales – Decreto Supremo N° 004-2017 – MINAM.
Nota: Recuperado de “MINAM (2017)”
Parámetros Unidad de medida
D1: Riego de Vegetales D2: Bebida de Animales Agua para riego no restringido Agua para riego restringido Bebida de animales FISICOS QUIMICOS Aceites y Grasas mg/L 5 10 Bicarbonatos mg/L 518 ** Clanuro Wad mg/L 0,1 0,1 Cloruros mg/L 500 ** Color (b) Color verdadero Escala Pt/Co 100 (a) 100 (a) Conductividad (HS/cm) 2500 5000 Demanda Bioquimica de Oxigeno (DBO5) mg/L 15 15 Demanda Quimica de Oxigeno (DQO) mg/L 40 40 Detergentes (SAAM) mg/L 0,2 0,5 Fenoles mg/L 0,002 0,01 Fluoruros mg/L 1 ** Nitratos (NO – N) mg/L 100 100 Nitritos (NO – N) mg/L 10 10 Oxigeno Disuelto (Valor minimo) mg/L Z 4 Z 5 Potencial de Hidrogeno (pH) Unidad de pH 6,5 – 8,5 6,5 – 8,4
