Rafael María Baralt Vicerrectorado Académico Programa Investigación – CDCHT
Revista
Investigaciones Científicas
Nueva Época ISSN: 1315-8694 Depósito Legal: pp 199502ZU3876 Código REVENCYT: INCIEN, RVI 007 Enero – Diciembre2 0 1 5 VOL. 6
"Rafael María Baralt" Vicerrectorado Académico Programa Investigación – CDCHT Director: MSc. Carlos Sangronis Revista Investigaciones Científicas Nueva Época
UNERMB ISSN: 1315-8694
Depósito Legal: pp 199502ZU3876 Código REVENCYT: INCIEN, RVI 007
© Universidad Nacional Experimental "Rafael María Baralt", 2015.
Cabimas, Venezuela. www.unermb.edu.ve
Correo electrónico: dpfunermb@gmail.com Editor: Dr. César Timaure
cesartimaure@yahoo.com Indizada en:
REVENCYT LATINDEX
Actualidad Iberoamericana Revista arbitrada por el sistema doble ciego Portada y diagramación: Anny Güerere y Julio García Delgado Logo de la Revista: Anny Güerere
Editorial 5 Artículos
Técnica de gelificación ácida en yacimientos de gas para mejorar la estimulación en el fracturamiento ácido Gelation technique in acid gas fields to improve the acid fracturing stimulation
Rosario Romero, Miguel Sánchez, Luis Barboza, Andreina Sánchez,
José Sánchez 9
Tratamiento de aguas residuales domésticas empleando humedales construidos
Domestic wastewater treatment using constructed wetlands
Marisel Núñez, Paola Flores, Alexandra Vera,
Carmen Cárdenas, Ever Morales 24 Efecto del quitosano sobre la oxidación en vino blanco
Effect of chitosan on the oxidation in white wine
Zulay Mármol Pérez, Cindy Bravo, María Lorbes, Gisela Páez,
Karelen Araujo, Marisela Rincón, Johanna Raga Carreño 35 Gestión de mantenimiento en aires acondicionados
de las universidades públicas
de la Costa Oriental del Lago de Maracaibo
Maintenance management in air conditioners in public universities on the east coast of lake Maracaibo
Pedro Guevara Mujica,Yudimar Guevara Mujica 52 Estudio de análisis de fallas en la Unidad Curricular
Optimización del Mantenimiento del PIMM de UNERMB
Study on failure analysis Curricular Unit Maintenance Optimization of PIMM UNERMB
Henry J. Villarroel N. 65
Análisis de Fallas en el Pasador de la Manivela
en las Unidades de Bombeo Mecánico de Campo Boscán Failure Analysis in the Crank’s Pin in the Mechanical Pumping Units of Field
Reciban un cordial saludo en la oportunidad de presentarles el Volumen 6, números 1 y 2, del año 2015 de la Revista Investiga-ciones Científicas de la Universidad Nacional Experimental Rafael María Baralt.
Los trabajos publicados corresponden a los autores: Rosario Romero, Miguel Sánchez, Luis Barboza, Andreina Sánchez, José Sánchez, Marisel Núñez, Pedro Guevara Mujica, Yudimar Guevara Mujica, Henry Villarroel, Wolfang Romero y Belkis González de la UNERMB, Paola Flores, Alexandra Vera, Carmen Cárdenas, Ever Mo-rales, Zulay Mármol Pérez, Cindy Bravo, María Lorbes, Gisela Páez, Karelen Araujo, Marisela Rincón, Johanna Raga Carreño, de la Uni-versidad del Zulia.
Con esta edición concluimos nuestro trabajo editorial al frente de la Revista Investigaciones Científicas de la UNERMB, con la cual hemos participado desde el año 2008, logrando realizar los volú-menes anuales correspondientes que pueden observar en la página web de la universidad. En este sentido, quiero agradecer la gran la-bor del Programa Investigación con el Profesor Carlos Sangronis y del CDCHT al realizar las evaluaciones y seguimientos académicos de la revista. Igualmente agradecimientos al Profesor Nandy García nuevo Director del Programa Investigación.
Al Comité Editorial, especialmente las profesoras Yamelis Pérez, Marisel Núñez, al Comité Asesor, con énfasis en las recomendacio-nes del Profesor Miguel Sánchez, editor de la Revista Técnica de Ingeniería de la Universidad del Zulia. De igual forma al Profesor Tyrone Clavero, editor de la Revista de la Facultad de Agronomía de la Universidad del Zulia, al excelente trabajo de diseño de la Profe-sora Anny Guerere y de Julio García Delgado.
preparación para impulsar con la fuerza necesaria la continuidad, visibilidad, el prestigio y la presentación de los trabajos de investi-gación a la comunidad nacional e internacional.
¡Muchas gracias a todos!
UNERMB (NE) Volumen 6, 2015, 9/23 ISSN: 1315-8694
Recibido: 15/03/2015 Aceptado: 30/04/2015 Autor para correspondencia: rosarioromero5@hotmail.com
1 UNERMB. Programa Educación. Proyecto Profesionalización Docente. Correo: rosariorome-ro5@hotmail.com. Teléfono: 0426-5673725
2 UNERMB. Vice-rectorado Académico. Programa Administración
3 Universidad Nacional Experimental “Rafael María Baralt”, Programa Ingeniería y Tecnología. Los Puertos de Altagracia, Venezuela.
Técnica de gelificación ácida en yacimientos de gas
para mejorar la estimulación en el fracturamiento
ácido
Gelation technique in acid gas fields to improve the acid
fracturing stimulation
1Rosario Romero, 2Miguel Sánchez, 3Luis Barboza, 3Andreina Sánchez, 3José Sánchez
Resumen
El propósito general del artículo es analizar una técnica de gelifi-cación ácida en yacimientos de gas para mejorar la estimulación en el fracturamiento ácido. La investigación se fundamenta teóricamente en los planteamientos de la Sociedad de Ingenieros Petroleros, las Normas COVENIN, el Programa Educación Petrolera PDVSA, entre otros. La in-vestigación se desarrolla de tipo experimental con diseño documental y de laboratorio. Las unidades de análisis son los investigadores y ope-radores de laboratorio con los trabajadores del campo de producción. Se concluye con el análisis de una nueva modalidad de uso del ácido en yacimientos de gas, que permita seleccionar formulaciones líquidas y las condiciones de inyección para una formación determinada (diseño de tratamientos de fracturamiento ácido), ya que los ácidos gelificados son menos eficientes en términos de rugosidad de la superficie que los straight acids a la misma concentración. Se recomienda la
implemen-tación de ácido gelificado para el estudio de las condiciones de fondo de pozo para la acumulación de torta y de la erosión que influyen en la formación de agujeros de gusano en la pared fractura, puesto que un aumento de la permeabilidad tiene un efecto menor en la velocidad de propagación del agujero de gusano.
Palabras clave: Técnica, gelificación ácida, fracturamiento ácido.
Abstract
The general purpose of the article is to analyze acid gelation tech-nique in gas to improve the acid fracturing stimulation. The research is based on theoretical approaches of the Society of Petroleum Engi-neers, COVENIN Rules, PDVSA Oil Education Program, among others. The research is conducted with experimental documentary and labo-ratory design. The units of analysis are the researchers and labolabo-ratory operators farmworkers production. It concludes with an analysis of a new mode of use of acid gas fields, which allows selecting liquid for-mulations and injection conditions for a given training (design treat-ments for acid fracturing), since the gelled acids are less efficient in terms of surface roughness that straight acids at the same concentra-tion. The implementation of gelled acid to study the conditions down-hole for accumulation of cake and erosion that influence the formation of wormholes in the fracture wall is recommended, since an increased permeability has an effect lower propagation speed in the wormhole.
Key words: Technical, acid gel, acid fracturing.
IntroduccIón
En Venezuela el 90% de las re-servas de gas natural son de gas asociado. En sus yacimientos, una parte del petróleo existe en fase gaseosa, otra porción como líqui-do, y una tercera fase se encuen-tra en fase sólida o semisólida. Cada una de estas fases se han de-nominado: gas natural, petróleo crudo y bitumen natural.
Los yacimientos se clasifican según las rocas que lo forman, siendo los carbonáceos (calizas, dolomitas), uno de los yacimien-tos que presentan un gran reto de planificación y desarrollo de la capacidad técnica de Venezue-la para que optimice los procesos de producción del gas natural. En este tipo de reservorio se suele emplear un mecanismo llamado fracturamiento ácido; El objetivo
de este tipo de tratamiento es in-yectar ácido dentro de la fractura creada en la formación a una pre-sión lo suficientemente alta para abrir fracturas naturales o para fracturar (romper) la formación.
Esquemáticamente una can-tidad razonable de fluido –agua inicialmente– debe inyectarse con un caudal superior al que la matriz puede aceptar, con la fina-lidad de provocar un incremento en la presión lo suficientemente alta para sobrepasar los esfuer-zos compresivos de la tierra y los esfuerzos tensionales de la roca. Hasta que la formación cede el paso por una ruptura y se forma una fractura. Luego debe inyec-tarse ácido para que reaccione con la formación creando cana-les de flujo que se extiendan en profundidad dentro de la roca y se mantengan abiertos cuando el pozo empiece a producir.
La pérdida excesiva de líquido se evita mediante el uso de ácidos gelificados o por bombeo de un lecho de fluido viscoso por delan-te del ácido. Mientras en el primer caso el ácido viscoso reduce la tasa de pérdida de fluido, en el se-gundo caso, el ácido de alta resis-tencia se emplea para erosionar algunos parches en la cara de la fractura donde se produce el gra-bado, con el riesgo de carcomer la
formación (wormholing, por sus siglas en inglés), y altas pérdidas de fluido.
EstudIodEnúclEosrocosos
Células especiales han sido di-señadas para los estudios de pér-dida de fluido. (2). Tres tipos de equipos se describen esquemá-ticamente a continuación. Estos son:
1. El núcleo hueco (Hollow Core): el fluido circula en el interior del núcleo a través de un agu-jero y la fuga se da radialmen-te, a veces se aplica el flujo en la dirección opuesta: desde el exterior del núcleo hasta el interior para aumentar el área superficial del volumen fluido; esta geometría ha sido recien-temente utilizado para la eva-luación de pérdidas de ácido. 2. La celda de ranura de flujo
(Slot Flow Cell): el cilindro cen-tral se corta en dos mitades y el flujo se establece entre las dos mitades del núcleo. Tasas de reacción con ácido y la conduc-tividad han sido estudiadas. 3. La célula tangencial
(Tangen-tial Cell): el fluido circula en una ranura paralela a la cara del núcleo y el flujo entra en el núcleo a una presión constan-te.
FormacIóndEwormholEs
ypatronEsdEdIsolucIón
La propagación ácida exhibe tres comportamientos. A una tasa de inyección muy baja, el consumo de ácido se produce en la cara del nú-cleo con la formación de un patrón de disolución muy superficial. A medida que se incrementa la tasa de inyección de ácido, los agujeros de gusano se empiezan a formar. Los wormholes siguen creciendo siem-pre que el ácido vivo se suministra a la punta del agujero. En algunos casos, el wormhole se desarrolla paso por paso. Esto se produce en un intervalo de flujo intermedio.
El patrón de disolución corres-pondiente es un agujero de gusano grueso posteriormente denomina-do el patrón pseudenomina-docompacto para distinguirla de la figura agujero de gusano ramificado mostrado a alta tasa de inyección de flujo (4) Para este rango de alta inyección, la velo-cidad de flujo corresponde al poste-riormente denominado régimen de wormholing.
De esta manera, las tasas de propagación de ácido experimen-tan un nivel óptimo. La velocidad del fluido en la transición, llama-da “velocillama-dad óptima de flujo”, co-rresponde a la transición entre la pseudocompacta y los regímenes wormholing. Aunque óptimo se refiere al proceso de acidificación de la matriz, en este documento se utiliza la misma terminología. Finalmente, a tasas de flujo muy altas, extremadamente ramifica-do, patrones arborescentes de di-solución se han observado.
pérdIdadEFluIdo (lEakoFF)
Mientras que la tasa de propa-gación de ácido está relacionada con la formación del agujero de gusano dominante, ácido tasa de pérdida de fluido se espera que estar relacionado con la per-meabilidad de la formación y al aumento de la permeabilidad re-sultante del patrón de agujero de gusano (figura 1).
ÁcIdosgElIFIcados
La adición de un agente gelifi-cante afectará al comportamiento ácido por varias razones. (2) Se cree comúnmente que los agentes gelificantes reducir el consumo del ácido debido a un coeficien-te de difusión más bajo, sino que también puede hacerse hincapié en que el agente gelificante se re-duce la pérdida de fluido ácido a través de las paredes de agujero de gusano (figura 1). El resultado neto de estos dos efectos se espe-ra que sea un agujero de gusano de velocidad de propagación ma-yor. El agente viscoso reduce la tasa de fluido intersticial, que a la luz de los resultados anteriores puede disminuir la velocidad de propagación del ácido.
FracturasÁcIdas
El objetivo de este tipo de tra-tamientos es inyectar ácido den-tro de la fractura creada en la formación a una presión lo sufi-cientemente alta para abrir frac-turas naturales o para fracturar la formación. El método es amplia-mente utilizado en dolomitas.
Se utilizan ácidos (acidifica-ción) para grabar las caras de las fracturas promoviendo que ellas no sean parejas mediante la creación de canales o
“worm-ho-les” para prevenir que se cierren completamente en las forma-ciones carbonáticas. La fractura grabada actuará como un canal de alta conductividad para mover los fluidos hacia las cercanías del pozo con mayor facilidad.
La tomografía axial computari-zada (TAC)
Tomografía computarizada, también denominada escáner, es una técnica de imagen médica que utiliza radiación X para obte-ner cortes o secciones de objetos anatómicos con fines diagnósti-cos. Esta tecnología permite al geólogo evaluar la estructura in-terna de la roca yacimiento para determinar las causas de los pro-blemas de producción.
matErIalEsymétodos
La investigación puede definir-se definir-según (1), como un esfuerzo que se emprende para resolver un problema de conocimiento. La presente investigación estuvo orientada en primer lugar bajo la modalidad de investigación expe-rimental y de laboratorio.
La presente investigación es de carácter experimental, ya que se hace un estudio de investigación en el que se manipulan delibera-damente una o más variables in-dependientes (supuestas causas) para analizar las consecuencias
de esa manipulación sobre una o más variables dependientes (su-puestos efectos) dentro de una situación de control para el inves-tigador (5).
En el caso de esta investigación la variable manipulada es técnica de gelificación ácida en yacimien-tos de gas para analizar las con-secuencias en la estimulación del fracturamiento ácido (variable dependiente), verificando la re-lación causa-efecto entre ambas variables. Se consideran como unidades de análisis a los investi-gadores y operadores de labora-torio, trabajadores del campo de producción, esto comprende una serie de estudios que se desean aplicar, como por ejemplo estu-dios tangenciales y de disolución.
Sistemáticamente atendiendo los criterios de (6), la presente investigación es llevada a cabo en cuatro fases fundamentales. La primera fase; con la que se bus-ca confinar de manera teóribus-ca los distintos dispositivos y procedi-mientos básicos para realzarla. La segunda fase, consta de un mé-todo práctico que permite simu-lar condiciones de estudio parti-culares deseadas, que permitan arrojar resultados. Finalmente, la tercera fase permite de manera clara y por observación directa, manipular resultados de análisis que permiten caracterizar
patro-nes de disolución de sustancias ácidas en núcleos de rocas, sin necesidad de manipular la misma variable mencionada.
rEsultados
Experimento, dispositivos y tecnología
Celdas especiales han sido diseña-das para los estudios de pérdida de fluido. Tres tipos de equipos se descri-ben a continuación. Estos son:
a. El núcleo hueco (hollow core): el fluido circula en el interior del núcleo a través de un agu-jero y la fuga se da radialmen-te, a veces se aplica el flujo en la dirección opuesta: desde el exterior del núcleo hasta el interior para aumentar el área superficial del volumen fluido; esta geometría ha sido recien-temente utilizado para la eva-luación de pérdidas de ácido. b. La celda de ranura de flujo (slot
flow cell): el cilindro central se corta en dos mitades y el flujo se establece entre las dos mita-des del núcleo. Tasas de reac-ción con ácido y la conductivi-dad han sido estudiadas. c. La celda tangencial (tangential
cell): el fluido circula en una ra-nura paralela a la cara del nú-cleo y el flujo entra en el núnú-cleo a una presión constante.
El principal inconveniente del núcleo hueco (hollow core) y la celda de ranura de flujo (slot flow cell) es la pequeña distancia per-mitida para la filtración de ácido. Por otro lado, las células tangen-ciales han sido especialmente di-señadas para aceptar trayectorias más largas de flujo y se han utili-zado con éxito para la evaluación de la pérdida de fluido en el frac-turamiento convencional con flui-dos. También han sido utilizados para examinar las propiedades de filtración de los fluidos de perfo-ración.
En efecto, la celda de flujo tangencial está particularmente adaptada para la evaluación de los fluidos gelificados cuando tan-to la filtración y la acumulación de costras de lodo inciden. Uno de los propósitos de este
docu-mento es el uso de tal equipo para fluidos ácidos y para hacer posi-ble una evaluación de los ácidos gelificados en condiciones repre-sentativas de flujo en una pared o cara de la fractura.
ElExpErImEnto
El equipamiento de la celda tangencial se describe en la figura 2. La pieza central del aparato es de tipo tangencial, y el soporte de núcleo es de acero. La idea básica para el diseño de la célula es reali-zar mediciones mientras el fluido circula en la ranura. La penetra-ción del ácido en el interior del núcleo se realiza mediante la apli-cación de una presión diferencial (𝛁p) entre la entrada y la salida del núcleo perpendicularmente a la ranura de flujo.
Figura 2. Esquema de la configuración tangencial
El diseño de la célula es tal que el núcleo se coloca con su super-ficie entera al ras del ácido. El diámetro del núcleo es 5 cm y la longitud puede variar hasta 40 cm. Para todas las pruebas que se describen a continuación, el flu-jo de la ranura es de 50 ml/min. Una presión de confinamiento de 40bar se utiliza en la mayoría de los experimentos. En el lado efluente un regulador de contra-presión se ajusta para mantener el CO2 producido durante la re-acción química en la fase acuosa. Como por ejemplo, 180 bar se re-quiere cuando se utiliza 15% de HCl a 50 ºC.
Dos células de fluido de ace-ro inoxidable están montadas a ras alternativamente con agua o ácido. Un transductor de presión absoluta situado cerca de la en-trada de la célula tangencial se utiliza para controlar la presión de entrada en el inicio del expe-rimento. El arreglo de la válvula está diseñado para bloquear
au-tomáticamente la línea a la salida de la celda tangencial cuando el agujero de gusano abre paso.
Los datos registrados en un ar-chivo de computadora incluyen la presión de entrada, la velocidad de flujo en la ranura, la presión di-ferencial entre la entrada y la sa-lida del núcleo, las mediciones de la pérdida de fluido de volumen acumulativo como una función del tiempo, y la tasa de flujo a tra-vés el núcleo. La toma de datos se registra cada segundo.
Además, se utilizó una célula hassler para señalar el impacto de la metodología en los resultados de las velocidades de propaga-ción del ácido en el agujero para el caso en que una costra de lodo se acumula en la cara del núcleo. Las propiedades de los medios porosos se presentan en la Tabla 1. El agente gelificante es un po-límero comercial común sintético utilizado en la industria para los tratamientos de fracturamiento ácido.
Tabla 1
Propiedades del medio poroso
Naturaleza Nombre Porosidad (%) Permeabilidad (md)
Caliza Lavoux 0.22 2.1-2.9
Caliza Estaillades 0.31 170-220
Dolomita … 0.20 0.2-1.0
procEdImIEntos
La propagación ácida exhibe tres comportamientos.A una tasa de inyección muy baja, el consumo de ácido se produce en la cara del núcleo con la formación de un pa-trón de disolución muy superficial. A medida que se incrementa la tasa de inyección de ácido, los agujeros de gusano se empiezan a formar.
Los wormholes siguen crecien-do siempre que el ácicrecien-do se sumi-nistre a la punta del agujero. En algunos casos, el wormholes se desarrolla paso por paso. Esto se produce en un intervalo de flujo intermedio. El patrón de di-solución correspondiente es un agujero de gusano grueso poste-riormente denominado el patrón pseudocompacto para distinguir-lo de la figura de agujero de gu-sano ramificada mostrada a alta tasa de inyección de flujo.
Para este rango de alta inyec-ción, la velocidad de flujo co-rresponde al posteriormente de-nominado régimen de grabado (wormholing régimen). De esta manera, las tasas de propagación de ácido experimentan un nivel óptimo. La velocidad del fluido en la transición, llamada “velocidad óptima de flujo”, corresponde a la transición entre la pseudocom-pacta y la de grabado. Aunque óptimo se refiere al proceso de
acidificación de la matriz, en este documento se utiliza la misma terminología.
Finalmente, a tasas de flujo muy altas, extremadamente ramificado, patrones arborescentes de disolu-ción se han observado. Con respec-to a este estudio, los agujeros de gusano altamente ramificados de-ben ser evitados y condiciones que conducen a la disolución compacta o wormholes gruesos de pequeña extensión son preferidos. Estos de-ben ser definidos para la formula-ción del fluido de ácido en relaformula-ción con la inyección y las condiciones del yacimiento.
El ácido se consume por va-rios mecanismos: filtración a tra-vés de las paredes del agujero, el crecimiento en la punta agujero de gusano, y la extensión del diá-metro del agujero. Dado que los resultados de la tasa de propaga-ción de ácido de una combinapropaga-ción de estos diversos mecanismos, es extremadamente difícil pre-decir la variación de la velocidad de propagación de ácido incluso cuando sólo un parámetro, por ejemplo la temperatura, la velo-cidad de inyección, la viscosidad o de la concentración, es variado. Por lo tanto, las mediciones de re-ferencia con ácidos puros (staight acids) son necesarias antes de la evaluación de la eficacia de cual-quier sistema nuevo.
VElocIdaddElapropagacIón ÁcIda
Las velocidades de propaga-ción ácida para núcleos caliza tipo lavoux se derivan de experimen-tos a un flujo constante (figura 3). Las curvas representan la misma forma como ya se ha observa-do, es decir, un régimen pseudo-compacto a baja tasa de fluido intersticial (línea discontinua) y un régimen wormholing, a altas velocidades de fluido intersticial (línea continua).
En el régimen wormholing, es decir, a una velocidad de flujo alta, la tasa de propagación ácida aumenta significativamente con la concentración de ácido. Como ejemplo, la velocidad de propa-gación de ácido se multiplica por un factor de 6 entre las soluciones muy diluidas (0,7%) y las concen-trados (17%).
La llamada “velocidad óptima de flujo” aumenta con la concen-tración, de forma que las mayores tasas de inyección son necesarias para alcanzar el régimen wormho-ling. Como ejemplo, a una tasa de inyección de fluido intersticial de 0,4cm/min, la disolución se pro-duce en la región wormholing con una solución de ácido 7%, mien-tras que el aumento de la concen-tración de 17% conduce a una di-solución pseudocompacta.
Un aumento de temperatura afecta débilmente la velocidad de propagación de ácido en la región wormholing, para las tasas altas de inyección de flujo (figura 4). Hay sólo un pequeño aumento de la velocidad de propagación de ácido con la temperatura. Sin em-bargo un aumento de temperatu-ra tiene un fuerte efecto a bajas tasas de inyección de flujo. La lla-mada “tasa óptima de inyección” aumenta con la temperatura.
Figura 3. Efecto de la concentración de HCl en la tasa de propagación ácida Fuente: (3).
La comparación entre las ta-sas de propagación de ácidos con calizas lavoux de baja permea-bilidad y estaillades de alta per-meabilidad muestra un despla-zamiento de las curvas (figura 5). La velocidad de propagación de ácido es menor en el núcleo de permeabilidad más alta tanto en la región pseudocompacta como en la región wormholing. Para do-lomita, existe también un cambio de los resultados obtenidos a 50 °C. Sin embargo, es más sencillo
que los mecanismos de wormho-ling a alta temperatura.
Estas observaciones son cuali-tativamente consistentes con los resultados publicados anterior-mente. Revelan los complejos me-canismos de propagación de áci-do en piedra caliza. En el régimen pseudocompacto, la velocidad del agujero de gusano es fuertemente disminuida por el consumo en las paredes del agujero. Dado que la reacción química es la transferen-cia de masa limitada, el consumo
Figura 4. Efecto de la temperatura en la tasa de propagación ácida
Fuente: (3).
Figura 5. Efecto de la permeabilidad y la mineralogía Fuente: (3).
de ácido es proporcional al coefi-ciente de difusión y de la concen-tración de ácido. Aumentando así la concentración aumenta el con-sumo de ácido con una extensión consiguiente de la región pseudo-compacto. La misma tendencia se observó para el efecto de la tem-peratura.
Al considerar fracturamiento ácido, el desarrollo de las figuras pseudocompactas de extensión limitada en la pared de la fractura son preferidas. Ellos son favoreci-dos por una baja velocidad del flui-do que entra en la formación, es decir, un 𝛁P bajo entre la fractura y la formación. Se muestra que una alta temperatura, una alta concen-tración, y una alta permeabilidad limitan la propagación de la figura de agujero de gusano, siempre y cuando que el 𝛁P entre la fractura y la formación sea bajo.
Los resultados de los experi-mentos en la celda de flujo
tan-gencial. Wormholes: velocidad de propagación ácida. Los datos registrados durante un experi-mento con ácido gelificado en el dispositivo de célula tangencial se representan en la figura 6. En el fracturamiento ácido, la forma de las curvas de pérdida de fluido para los agentes gelificantes con-vencionales en agua se caracteri-za por: (1) un aumento rápido del volumen al inicio del experimen-to que se refiere como el período de chorro, (2) una segunda etapa que corresponde a la acumula-ción de torta (cake), (3) una tasa de filtración constante del fluido a través del núcleo.
Las curvas de pérdida de fluido con geles ácidos no pueden ser in-terpretadas en términos de perio-do de chorro y cake buildup como se muestra. Ellos muestran un aumento lineal en el volumen de pérdida de fluido en función del tiempo, desde los primeros
minu-Figura 6. Datos recolectados del experimento tangencial Fuente: (3).
tos. Ni un chorro, ni una acumula-ción de torta se pueden distinguir. En los experimentos tangen-ciales, las velocidades de pro-pagación ácida son reportadas como una función de la velocidad de filtración (figura 7). Cuando altos gradientes de presión se aplican, correspondientes a las altas velocidades de filtración; la penetración del ácido gelificado se produce inmediatamente en el núcleo. Todos los experimentos dan avance excepto a un gradien-te de presión bajo donde la velo-cidad de propagación de ácido es demasiado baja para avanzar más de 5 cm en 20 minutos.
Las velocidades de propaga-ción de ácido son sólo ligeramen-te inferiores con el ácido gelifica-do en comparación con straight acids en el alto rango de velocidad del fluido intersticial. En calizas estaillades de alta permeabilidad, no se encontraron diferencias en
las velocidades de agujero de gu-sano en experimentos a tasa de flujo constante y caída de presión constante (figura 8). Esto sugiere que no hay formación de torta en la superficie del núcleo.
Por último, considerando frac-turamiento ácido, la comparación entre las velocidades de propa-gación wormholes debe hacerse sobre la base de una misma 𝛁P aplicación. Debido al efecto de la viscosidad, las velocidades inters-ticiales son mucho menor para los ácidos gelificados en com-paración con los straight acids. Por lo tanto, el resultado neto de fracturamiento ácido es una velo-cidad de propagación agujero de gusano reducido en gran medida por la adición del agente gelifi-cante. Por otra parte, cuando una torta se acumula en la cara de la fractura, hay un efecto drástico en la formación y propagación de agujero de gusano.
Figura 7. Comparación entre los efectos de los ácidos gelificados y straight en núcleos de caliza lavoux
conclusIonEs
Los resultados obtenidos en esta investigación permitieron realizar las siguientes conclusio-nes en relación a los objetivos tratados, en relacionados con la propuesta de la técnica de geli-ficación ácida en yacimientos de gas para mejorar la estimulación en el fracturamiento ácido, en primer lugar se describieron los dispositivos y procedimientos experimentales empleados en la determinación del efecto del áci-do en el núcleo de roca de los ya-cimientos de gas, estableciéndose que el principal inconveniente del núcleo hueco (hollow core) y la celda de ranura de flujo (slot flow cell) es la pequeña distancia per-mitida para la filtración de ácido.
Por otro lado, las células tan-genciales han sido especialmente diseñadas para aceptar
trayecto-Figura 8. Comparación entre los efectos de los ácidos gelificados y straight en núcleos de caliza estaillades
Fuente: (3).
rias más largas de flujo y se han utilizado con éxito para la evalua-ción de la pérdida de fluido en el fracturamiento convencional con fluidos. También han sido utili-zados para examinar las propie-dades de filtración de los fluidos de perforación. Atendiendo los procedimientos se determina que la propagación ácida exhibe tres comportamientos. A una tasa de inyección muy baja, el consumo de ácido se produce en la cara del núcleo con la formación de un patrón de disolución muy superfi-cial. A medida que se incrementa la tasa de inyección de ácido, los agujeros de gusano se empiezan a formar.
Además, se pudo definir el me-canismo de disolución de los áci-dos mediante el empleo de una célula de flujo tangencial, la cual está particularmente adaptada para la evaluación de los fluidos
gelificados cuando tanto la filtra-ción y la acumulafiltra-ción de costras de lodo inciden. Uno de los pro-pósitos de esta investigación fue establecer una técnica para ha-cer posible una evaluación de los ácidos gelificados en condiciones representativas de flujo en una pared o cara de la fractura.
Por último, se caracterizó la extensión de la picadura (wor-mholing) en los núcleos de los yacimientos de gas, las tasas
ba-jas de inyección producen un va-lor seudocompacto a una veloci-dad de propagación baja. Por el contrario, las tasas de inyección altas dan patrones de agujero de gusano que se desarrollan conti-nuamente a medida que la inyec-ción avanza; en el primer caso, el agujero de gusano es grueso con ramificaciones muy pequeños y en el segundo caso, el agujero de gusano tiene un árbol bien es-tructurado.
lItEraturacItada
(1) Arias, F. (2006). El proyecto de investigación. Quinta edición. Ediciones Epis-teme.
(2) Alarcon, I. Váquez, D. y Hurtado, J. (2005). Ensayos de permeabilidad usando el permeámetro de pared flexible. (astm d5084-90).
(3) Espinoza, C. (2004).Sociedad de ingenieros petroleros. Tercera Edición. (4) Escobar, M. (2006). Proceso de perforación. CIED PDVSA. Primera versión. (5) Hernández, R. Fernández, C. Y Baptista, P. (2006). Metodología de la
investiga-ción. Tercera Ediinvestiga-ción. D.F. McGraw-Hill interamericana, S.A.
(6) Méndez, C. (2003). Metodología. Diseño y desarrollo del proceso de investiga-ción. Colombia. Ediciones McGraw-Hill. Tercera Ediinvestiga-ción.
Tratamiento de aguas residuales domésticas
empleando humedales construidos
Domestic wastewater treatment using constructed wetlands
Marisel Núñez1, Paola Flores2, Alexandra Vera3,
Carmen Cárdenas2, Ever Morales4
Resumen
Los efluentes originados en Isla de Toas son dispuestos sin tra-tamiento, lo que podría ocasionar problemas a los cuerpos de agua receptores. Se propone el uso de humedales construidos, utilizando Mangle, para el tratamiento de las aguas residuales. Se empleó un sis-tema compuesto por dos fosas plantadas (SH) y dos sin plantar (SC), alimentadas desde un tanque elevado, con mezcla de agua residual y agua de la laguna Las Tabletas. Se evaluó DBO, DQO, SST y SSV, NTK, N-NH4, N-NO2, N-NO3, PT, CT y CF. En el caso de la remoción total (con-siderando entrada al tanque elevado y salida en SH y SC), SH resultó más eficiente para los parámetros PT, SST y DQO; mientras que SC lo fue para NTK, NH4, SSV y CT. La remoción de DBO se mantuvo para ambos tratamientos. No hubo diferencia significativa. En las remo-ciones parciales (considerando la salida del tanque elevado y salida del humedal construido), SH fue más eficiente para NTK, NH4 y DQO; Volumen 6, 2015, 24/34 ISSN: 1315-8694
Recibido: 14/03/2015 Aceptado: 04/04/2015 Autor para correspondencia: marisel2506@gmail.com
1 Universidad Nacional Experimental Rafael María Baralt (UNERMB), Programa Ingeniería y Tecnología, Costa Oriental del Lago de Maracaibo, Zulia, Venezuela.
2 Universidad del Zulia (LUZ), Facultad de Agronomía, Maracaibo, Zulia, Venezuela.
3 Centro de Investigación del Agua (CIA), Universidad del Zulia (LUZ), Facultad de Ingeniería, Maracaibo, Zulia, Venezuela.
4 Laboratorio de Organismos Fotosintéticos, Facultad de Ciencias, Universidad del Zulia, Mara-caibo, Zulia, Venezuela.
mientras que SC lo fue para PT, SST, SSV, DBO Y CT. No hubo diferencia significativa entre ambos tratamientos. A excepción de los valores de SST y DQO medidos a la entrada, las medias obtenidas de los diferentes parámetros se mantuvieron dentro de la norma nacional para vertido a los cuerpos de agua.
Palabras clave: aguas residuales, humedales construidos, mangle.
Abstract
The wastewater of Toa Island are disposed without treatment, which could cause problems for receiving water bodies. Using con-structed wetlands is proposed, using mangrove, for the treatment of wastewater. A system consisting of two tanks planted (SH) and two un-planted (SC), fed from an elevated tank, with a mixture of wastewater and water of the Tabletas lagoon. BOD, COD, TSS and VSS, TKN, NH4-N, N-NO2, NO3-N, PT, CT and CF was evaluated For the complete removal (considering the elevated tank entry and effluent of SH and SC), SH was more efficient for PT, TSS and COD parameters; while SC was for NTK, NH4, SSV and CT. BOD removal was maintained for both treatments. There was no significant difference. In partial removal (considering the effluent of the elevated tank and constructed wetland effluent) SH was more efficient for NTK, NH4 and COD; while SC was for PT, SST, SSV, BOD and CT. There was no significant difference between the two treatments. Except for TSS and COD, the means values measured at the entrance from the different parameters remained within the national standard for discharge into water bodies.
Keywords: wastewater, constructed wetlands, mangrove.
IntroduccIón
Las viviendas de Isla de Toas, Municipio Almirante Padilla, Es-tado Zulia, Venezuela, descargan las aguas residuales a la laguna Las Tabletas o al Lago de Maracai-bo sin tratamiento previo. De con-tinuar esta situación, la capacidad autodepuradora de estos cuerpos
de agua será superada, ocasio-nando así problemas ambientales y el consiguiente deterioro de la calidad de vida de la población. Problemas tales como restricción en el uso del agua, alteraciones en la flora y/o en la fauna acuática, apariencia y olor desagradables, entre otros, incidirían en las ac-tividades socio-económicas de la
población, que depende en gran medida de la pesca y el turismo, por lo que se hace necesario un sistema de tratamiento que dismi-nuya el impacto de las descargas de las aguas residuales y no oca-sione otros problemas al ecosis-tema. Una alternativa sostenible económica y ecológicamente lo constituyen los humedales cons-truidos, por lo que se propone su uso para el tratamiento de las aguas residuales de Isla de Toas, utilizando una planta de impor-tancia en el ecosistema lacustre del Lago de Maracaibo como es el Mangle Rojo (Rhizophora man-gle), y de abundante presencia en la locación en estudio.
1. Se desconoce la existencia de trabajos previos relacionados con propuestas para el trata-miento de las aguas residua-les originadas en Isla de Toas. La población desconoce otras opciones diferentes a las men-cionadas para la disposición de sus efluentes domésticos; las descargas se realizan a través de pequeñas tanquillas a don-de confluyen las aguas residua-les de grupos de dos o tres vi-viendas en cada sector.
Con relación al uso de humeda-les construidos como tratamiento para las aguas residuales, se han realizado numerosos estudios a nivel mundial, demostrando ser
eficientes para distintos tipos de efluentes; sin embargo, no han sido frecuentes los estudios de tratamiento de aguas residuales que empleen vegetación de agua salobre (11). Regionalmente, se han realizado algunos trabajos en la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Zulia (LUZ). Los mismos fueron orientados al uso de humedales para el pulimento de efluentes de lagunas de esta-bilización y para el tratamiento de aguas de producción de la in-dustria petrolera. Los resultados mostraron un sistema eficiente para el pulimento de efluentes.
En cuanto al uso de Mangle, se conocen algunas experiencias foráneas que han empleado esta especie para el tratamiento de aguas residuales de la industria camaronera, dando resultados sa-tisfactorios (14, 11). Los mangla-res se desarrollan mundialmente a lo largo de toda la franja tropi-cal y subtropitropi-cal, motivado a sus características que permiten su adaptación a condiciones hosti-les donde otro tipo de vegetación no podría adaptarse satisfacto-riamente; es por ello que estas especies han sido consideradas en estudios para la depuración y control de contaminantes (6). Sin embargo, es poco el conocimien-to técnico que existe sobre el fo-restamiento exitoso con mangle,
así como la densidad de árboles necesaria para alcanzar un trata-miento suficiente (11).
La investigación se justifica desde el punto de vista ambien-tal ya que se evalúa una opción que permitiría el saneamiento no solo de los espacios lacustres de Isla de Toas, sino también de las aguas de la laguna Las Tabletas, cuerpos de agua receptores de las aguas residuales que se originan en la Isla, con los consiguientes beneficios para los habitantes, al mejorar la calidad de vida y las actividades turísticas. El sistema planteado es de tipo biológico, bajo costo de construcción, fácil operación y mantenimiento, que no solo permitiría el tratamiento de las aguas residuales sino que no ocasionaría impactos negati-vos al entorno, por considerarse tecnología verde.
El sistema experimental fue construido, operado y manteni-do por la comunidad, ayudanmanteni-do a la formación técnica en el área de tratamiento de aguas residua-les de los pobladores aledaños al mismo y a su concienciación so-bre la problemática ambiental de su entorno al descargar las aguas residuales sin tratamiento previo.
El objetivo de la investigación fue evaluar el uso de humedales construidos, con implantación de plántulas de Mangle, para el
tra-tamiento de las aguas residuales originadas por las actividades do-mésticas de los habitantes de Isla de Toas, Municipio Almirante Pa-dilla, Estado Zulia, Venezuela.
Metodología
Se diseñó y construyó un hu-medal de tipo superficial en te-rreno de una vivienda en el sec-tor El Hato de Isla de Toas. El sistema experimental constó de cuatro celdas, dos celdas planta-das con mangle rojo y dos celplanta-das de control sin plantas. Las celdas se construyeron con paredes de bloques, y piso de concreto con malla electrosoldada, teniendo un tamaño de 1,4 m x 0,55 m cada una, para un total de 1,4 x 2,2 m. Se colocó en cada celda, como material de soporte, arena de los terrenos adyacentes al sistema experimental. Se sembraron 30 plántulas de mangle, de aproxi-madamente 30 cm de altura, en cada una de las dos celdas con plantas. Las mismas se irrigaban con agua desde un tanque eleva-do que actuó como sedimenta-dor, por lo que, posteriormente al inicio de la toma de muestras, se consideró como parte del sistema experimental. El tanque de 600 li-tros recibía el agua residual a tra-vés de una bomba. Las dos celdas
restantes no fueron plantadas, ac-tuando como controles.
El agua utilizada consistió en la mezcla del agua residual con agua de la laguna Las Tabletas, ya que la misma era tomada a la sa-lida de la tanquilla de recolección del agua residual, donde ésta ya se mezclaba con el agua de la la-guna; esta condición para la toma del agua a tratar se debió al poco volumen de aguas residuales ge-nerado por las viviendas, que no era suficiente para alimentar el sistema en estudio.
Semanalmente, durante un pe-riodo de seis meses, se tomaron muestras del agua residual de entrada al sistema experimental y de salida del mismo, para un to-tal de 6 muestras, distribuidas de la siguiente manera: una muestra correspondiente a la entrada al tanque elevado (E) (la evaluación en este punto fue durante los últi-mos tres meses, cuando se decidió incorporar esta muestra a evalua-ción), una correspondiente a la salida del tanque elevado (S) que representa la entrada al sistema de humedales, y cuatro salidas de éste último, correspondientes a dos para las fosas plantadas (SH), y dos para las no plantadas (SC). Se midió en el sitio pH, oxigeno disuelto, temperatura y salinidad, empleando para ello un equipo multiparamétrico Orion, modelo
5 Star Thermo. Las muestras para el resto de los parámetros se to-maban en envases plásticos, se refrigeraban y se trasladaban in-mediatamente hasta laboratorio, donde se realizaban las pruebas de Demanda Bioquímica de Oxí-geno (DBO), Demanda Química de Oxígeno (DQO), Sólidos Sus-pendidos Totales (SST) y Volátiles (SSV), Nitrógeno Total Kjeldahl (NTK), Nitrógeno Amoniacal (N-NH4), Nitritos (N-NO2), Nitratos (N-NO3), Fósforo Total (PT) y Co-liformes Totales (CT). Todas las pruebas se determinaron em-pleando la metodología descrita en los métodos estándar para el análisis de aguas y aguas resi-duales de la APHA-AWWA-WEF (1999) (1).
Los resultados se sometieron a un análisis estadístico descriptivo calculando la media y desviación estándar para cada parámetro y cada tratamiento, y se compara-ron los valores de las mismas para SH y SC, a través de una prueba T para determinar si había o no di-ferencia significativa entre ellas.
resultadosydIscusIón
La Tabla 1 resume los resulta-dos obteniresulta-dos para los diferentes parámetros analizados, a la en-trada del tanque elevado (E), a la salida (S) del mismo y a la salida
TABLA 1
RESULTADOS DE LAS MEDIAS Y DESVIACIÓN ESTÁNDAR PARA LOS PARÁMETROS ANALIZADOS EN E, S, SH Y SC Y REMOCIONES OBTENIDAS
Parámetro E S SH % Remoción Parcial (Total) SC % Remoción Parcial (Total) pH (unidades) 7,5±0,13 7,73±0,28 7,97±0,21 - 8,07±0,26 -Conductividad (mS/cm) 23,1±10,61 19,23±9,66 19,51±10,52 - 19,23±9,66 -OD (mg/l) 0,43±0,63 2,08±1,11 2,41±1,00 - 2,30±1,29 -Cloruros *103 (mg/l) 14,6±13,9 7,0±4,3 6,9±4,5 - 6,7±4,4 -PT (mg/l) 2,21±0,89 1,21±0,60 0,71±0,43 32±29 (74±15) 0,63±0,36 34±35 (68±24) NTK (mg/l) 6,85±5,58 3,11±2,04 1,41±1,00 43±39 (76±13) 1,68±2,27 33±72 (79±19) NH4 (mg/l) 5,78±4,67 2,70±1,93 1,22±1,20 46±40 (67±31) 1,19±1,35 43±56 (75±25) NO3 (mg/l) 0,02±0,015 0,022±0,028 0,021±0,021 - 0,026±0,030 -NO2 (mg/l) 0,03±0,023 0,074±0,087 0,065±0,065 - 0,058±0,066 -SST (mg/l) 274±178 168±107 132±109 14±39 (26±25) 129±107 22±36 (20±34) SSV (mg/l) 89±52 55±36 42±31 16±39 (21±45) 37±32 28±34 (25±44) DQO (mg/l) 391±127 273±133 222±126 17±30 (35±25) 244±149 7±40 (24±27) DBO (mg/l) 41±42 14±6 8±4 38±30 (69±19) 7±4 47±25 (68±33) Coliformes Totales *105 (NMP/100ml) 5,68±7,27 3,71±6,15 0,71±2,82 80±38 (87±19) 0,17±0,37 95±23 (97±29)
de las cuatro fosas del sistema ex-perimental (SH y SC).
Las aguas residuales a la entra-da del sistema, se caracterizaron por presentar condiciones de pH adecuado (entre 4 y 9), presencia de oxígeno y nutrientes para que se lleven a cabo las funciones bio-lógicas; sin embargo, presentaron valores de conductividad y cloru-ros que expresan una importante salinidad en las mismas, y las po-sibles consecuencias como baja biodegradabilidad de la materia presente.
En términos generales, los re-sultados obtenidos definieron un tratamiento eficiente para la remoción de los parámetros es-tudiados, tanto para el sistema SH como para el SC. En el caso de la remoción total (determina-da considerando el valor de E y la salida en SH o SC), el sistema con presencia de mangle (SH) resultó más eficiente que el sis-tema sin plantas (SC), para los parámetros PT (74%), SST (26%) y DQO (35%); mientras que SC lo fue en el caso de NTK (79%), NH4 (75%), SSV (25%) y CT (97%). La remoción de demanda bioquími-ca de oxígeno (DBO) se mantuvo en el mismo orden para ambos tratamientos. No hubo diferencia significativa entre las remociones para ningún caso.
Considerando las remociones parciales, determinadas tomando la salida del tanque elevado (S) y salida en cada sistema, SH fue más eficiente para NTK (43%), NH4 (46%)y DQO (17%); mientras que SC lo fue para PT (34%), SST (22%), SSV (28%), DBO (47%) Y CT (95%). En ningún caso hubo diferencia significativa al compa-rar los resultados para ambos tra-tamientos.
Los valores medios a la entrada cumplieron con los establecidos en la normativa nacional sobre calidad de vertidos líquidos (Re-pública de Venezuela, 1995), a ex-cepción de SST y DQO, cuyos lími-tes están establecidos en 80 mg/l y 350 mg/l respectivamente, mientras que los valores medidos a la entrada fueron de 274±178 para SST y 391±127 para DQO.
Los resultados generales ha-cen suponer que los principales mecanismos de remoción de los elementos evaluados fueron ma-yormente de tipo físico-químico y bacteriológico, no dependientes de la presencia de la vegetación. Esta apreciación contradice lo se-ñalado por algunos autores, quie-nes consideran fundamentales las funciones de la misma en los procesos que se dan en los hume-dales (2, 7). La presencia de la ve-getación favorecería en todo caso, esos distintos procesos de
remo-ción que en el sistema se dan, lle-gando a compensar, inclusive, el trabajo que no se realiza ante la ausencia, por la misma presencia de la vegetación, de microorga-nismos como las microalgas, por ejemplo.
Es de considerarse que el man-gle presentó lento crecimiento y un prolongado periodo de adap-tación, por lo que pudiera presu-mirse que el tiempo durante el cual se realizó la experimentación no fue suficiente para que la vege-tación alcanzara su máximo po-tencial depurador. Otros estudios con mangle rojo (6), fueron rea-lizados durante periodos sobre los 300 días, muy superior a los 180 considerados en este estudio. Adicionalmente, se desconoce la extensión y densidad arbórea necesaria de estos sistemas para un tratamiento suficiente de los efluentes (11). La supervivencia de la población sembrada estuvo en el orden del 60%.
La remoción de Pt en hume-dales se asocia a la adsorción y precipitación del fósforo en el material de soporte, por lo que esta capacidad es finita (8, 12), sin embargo, el sistema estudia-do pareciera no haber alcanzaestudia-do la saturación, al mantenerse la remoción durante el tiempo de estudio. Las medias de las con-centraciones de Pt a la salida de
SH (0,71±0,43) y SC (0,63±0,36), y de las remociones alcanzadas, muestran que más que el contac-to con el material de soporte, los microorganismos fotosintéticos y la vegetación habrían tenido un papel primordial en la remoción de Pt que hubo en el sistema ex-perimental, al mantenerse en am-bos casos las condiciones de con-tacto del agua en tratamiento con el material de soporte.
Para el caso de NTK y NH4, las remociones alcanzadas parecie-ran indicar que la presencia de mangle incrementó la remoción de nitrógeno, en comparación con el sistema no plantado. En SH la presencia de microalgas es disminuida, por lo tanto, la acción de bacterias y vegetación alcan-zaría mayor importancia. Para el caso de SC, la presencia masiva de algas que llegaron a formar extensos tapices sobre la super-ficie del sistema, habría estado estrechamente vinculada con la remoción de nitrógeno (13, 10). Las concentraciones de NO2 y NO3 son mínimas en comparación con NTK y NH4, por lo que no son con-sideradas en la discusión.
La concentración de SST siem-pre disminuyó en ambos trata-mientos con respecto a la entra-da, sin embargo, en ninguno de los puntos evaluados (E 274±178, S 168±107, SH 132±109 y SC
129±107) la concentración de SST estuvo por debajo del valor establecido por la normativa na-cional sobre calidad de vertidos líquidos, establecido en 80 mg/l.
El agua residual presentó una relación SSV/SST de 0,32 a la en-trada, manteniéndose a la salida de SH y disminuyendo hasta 0,28 a la salida de SC; este valor indi-ca una baja indi-cantidad de materia orgánica biodegradable, confir-mado con la relación DBO/DQO discutida más adelante.
La remoción de DQO y DBO pa-reciera deberse principalmente a la actividad de los microorganis-mos presentes en los distintos componentes del tratamiento, más que a cualquier otra acción, y que en el caso del sistema SH, la película microbiana dispone de mayor área superficial donde formarse, por la presencia de las raíces y tallos de las plantas, con relación al área disponible en SC, lo que pudo haber incidido en la mínima ventaja de la remoción en SH sobre la de SC. En el caso de SC, la acción microbiológica en conjunción con el tiempo de re-tención, permitieron la remoción de la materia orgánica (3). El va-lor medio de DQO en E no cumple con el Decreto 883 (9), sin embar-go, en SH y SC el valor medio dis-minuyó entrando en los límites de la norma.
La relación DBO/DQO fue de 0,1; 0,05; 0,04 y 0,03 en los ca-sos de E, S, SH y SC respectiva-mente; estos valores son bajos lo cual indicaría que son aguas poco biodegradables, por lo que el tra-tamiento no alcanzaría el efecto deseado. Esto pudiera deberse a la presencia de contaminantes de difícil biodegradabilidad o a la di-lución a la que el agua residual se encuentra sometida al mezclarse con el agua de la laguna Las Table-tas. Estos valores bajos, no habi-tuales en tratamientos biológicos, que requieren valores superiores a 0,5 para la fácil degradación por parte de los microorganismos (4), pudiera ser atribuible a la salini-dad de las aguas, consecuencia de la cercanía de la desembocadura del lago de Maracaibo al Mar Ca-ribe, y que incide directamente en la cantidad de sales inorgáni-cas disueltas en las aguas de la zona, que no pueden ser degrada-das durante el tratamiento. Esta misma condición salina, por otro lado, contribuye a la desaparición de organismos coliformes totales y fecales (5), llegando estos últi-mos a no detectarse en SH ni SC
La presencia abundante de mi-croalgas en SC, observada duran-te casi todo el periodo de estudio, habría contribuido en la remoción de los distintos elementos duran-te el proceso de tratamiento. En
el caso de SH, la presencia de mi-croalgas estuvo muy disminuida por la presencia de la vegetación, por lo que podría suponerse que la presencia de mangle compensa la ausencia de microalgas.
conclusIones
El humedal construido sem-brado con mangle rojo fue efecti-vo en la remoción de PT, SST, DQO, NTK, NH4, SSV y CT de las aguas
residuales en tratamiento, no pre-sentando diferencia significativa con los valores alcanzados por los sistemas sin plantar.
Los procesos que se dan den-tro de los sistemas plantados y sin plantar, involucraron diferen-tes actividades donde procesos físico-químicos y biológicos se compensan ante los cambios de las diferentes condiciones dentro del sistema, y donde la vegetación mantiene funciones de sinergia
lIteraturacItada
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UNERMB (NE) Volumen 6, 2015, 35/51 ISSN: 1315-8694
Recibido: 12/04/2015 Aceptado: 29/04/2015 Autor para correspondencia: zulaymarmol@gmail.com
1 Laboratorios de Tecnología de Alimentos y Fermentaciones Industriales. Facultad de Ingenie-ría de la Universidad del Zulia. Apartado 526. Maracaibo, Estado Zulia. Venezuela.
Efecto del quitosano sobre la oxidación en vino
blanco
Effect of chitosan on the oxidation in white wine
1Zulay Mármol Pérez, 1Cindy Bravo, 1María Lorbes, 1Gisela Páez, 1Karelen Araujo, 1Marisela Rincón, 1Johanna Raga Carreño
Resumen
Se evaluó el proceso de oxidación del vino blanco de uva, Vitis viní-fera variedad Malvasía, tratado con quitosano de elaboración propia, quitosano comercial y el adsorbente industrial caseinato de potasio du-rante un período de 6 meses. Se caracterizó el quitosano obtenido de la quitina de conchas de camarón (Litopenaeus vannamei) en términos de nitrógeno total, cenizas y humedad. Se determinaron los polifenoles to-tales, catequinas, color, dióxido de azufre total y libre en el mosto y vino blanco, tratado con los diferentes adsorbentes a diferentes tiempos de almacenamiento. Los resultados obtenidos fueron analizados bajo un diseño completamente al azar, con arreglo de parcelas divididas, a un nivel de significancia menor al 5%, observándose un efecto significati-vo entre los adsorbentes y el tiempo de almacenamiento, reportándose para quitosano de elaboración propia concentraciones de polifenoles totales y catequinas inferiores al vino control 231,00mg·L-1 y 7,00mg·L -1 respectivamente. Se encontró que el quitosano elaborado es un
ad-sorbente adecuado para los compuestos fenólicos, causando un efecto positivo sobre la estabilidad del vino blanco en el tiempo.
Palabras clave: vino blanco, quitosano, oxidación, compuestos
Abstract
The process of oxidation of white wine of Vitis vinifera grapes, Mal-vasia variety, treated with self-produced chitosan, commercial chito-san, and potassium caseinate was evaluated for a period of six months. The chitosan obtained from the chitin extracted from shrimp shells (Litopenaeus vannamei) was characterized by determining pH, mois-ture and nitrogen content. The catechins, color, total polyphenols, to-tal and free sulfur dioxide of samples of the must and the treated and untreated wine taken at different storage times, were determined. The results were analyzed under a completely randomized design with split plot arrangement, with a significance level of less than 5%. A sig-nificant effect between the stabilizers and storage time was observed. Concentrations of total polyphenols of 231,00mg·L-1 and catechins of
7,00mg·L-1 were found in the wine treated with self-produced chitosan.
Self-produced chitosan is capable of absorbing phenolic compounds, causing a positive effect on the stability of white wine over time.
Key words: white wine, chitosan, oxidation, phenolic compounds.
IntroduccIón
El vino en Latinoamérica ha cobrado importancia debido al alto consumo por parte de la po-blación, de allí que existe una de-manda creciente por vinos de alta calidad. Entre los problemas que pueden afectar su calidad orga-noléptica se encuentra el oscure-cimiento y oxidación de polifeno-les, lo cual produce alteraciones de color, aroma y sabor. Esto se traduce en pérdidas económicas por la inestabilidad del mismo. Un método empleado para con-trarrestar estas alteraciones es la reducción de los compuestos fenólicos a través de mecanismos de adsorción (23; 28). Los
adsor-bentes comúnmente empleados en enología son el caseinato de potasio y la polivinilpolipirroli-dona. Además, estudios realiza-dos en los últimos años emplean quitosano como adsorbente, el cual es de origen biológico ya que proviene de la industria del procesamiento de crustáceos, es económico, no tóxico y capaz de interactuar con los compuestos fenólicos del vino (29).
El procesamiento de crustá-ceos arroja grandes volúmenes de desperdicios, entre el 70 y 80% de su peso total, constituido por sus vísceras y exoesqueleto que son considerados contaminantes ambientales. En Venezuela para el año 2010 la producción de
ca-marón fue de 13368,7 TM (16). La transformación de estos dese-chos en productos valiosos como el quitosano podría ayudar a miti-gar el impacto ambiental (19). El quitosano es el derivado funcional de la quitina, ambos biopolímeros constituyen compuestos de valor comercial no aprovechado (12). En esta investigación se evaluó el efecto del quitosano de elabora-ción propia como adsorbente de compuestos fenólicos responsa-bles de la oxidación en el mosto y vino blanco en un período de seis meses de almacenamiento. Además, se comparó este adsor-bente con el quitosano comercial y caseinato de potasio, clarifican-tes comúnmente utilizados en la elaboración de vinos.
MaterIalesyMétodos
Obtención del quitosano: Se
utilizaron conchas de camarón (Litopenaeus vannamei) suminis-tradas por Industria Zuliana de Alimentos INZUALCA C.A, ubica-da en el Municipio San Francisco, estado Zulia. La quitina obtenida por desproteinización y desmi-neralización de las conchas fue sometida a un proceso de desace-tilación termo-alcalino con NaOH al 50% m/v para obtener quitosa-no. (18; 31).
Elaboración del vino blanco
Microorganismo: Levadura
Saccharomyces cerevisiae ATCC 4921 de la American Type Cultu-re Collection (Rockville, MD, USA) obtenida en estado liofilizado, fue debidamente rehidratada y acti-vada en cuñas de agar Yeast Mé-dium (YM) (18).
Mosto y tratamientos aplica-dos: El mosto de uva, Vitis
vinífe-ra var. Malvasía fue suministvinífe-rado por el Centro Socialista de Inves-tigación y Desarrollo Vitivinícola del estado Zulia. Este se sometió a un pretratamiento con bentonita (1g·L-1) durante 24 horas (5) y se
caracterizó mediante la determi-nación de polifenoles totales, ca-tequinas, dióxido de azufre total y libre. Posteriormente, se adicio-naron los adsorbentes: caseinato de potasio, quitosano de elabora-ción propia, quitosano comercial y como control se usó mosto sin adsorbente, con un tiempo de contacto de 24 horas para cada uno. Se realizaron tres replicas a la temperatura ambiente del laboratorio (22-24oC). Las
mues-tras se filtraron y caracterizaron a través de los parámetros mencio-nados anteriormente. Finalmen-te, se hizo la corrección y suple-mentación del mosto (21ºBrix + 0,2g·L-1 de fosfato de amonio).
Obtención del vino blanco:
Después de inoculado el mosto con el pie de cuba, se monitoreó el proceso midiendo diariamente los ºBrix. El vino obtenido se en-coló a baja temperatura, se trase-gó y se le aplicó 0,8g·L-1 de cada
adsorbente con un tiempo de contacto de 24 horas. Finalmente, se filtró con tierra diatomea, se envaso y se almacenó por un pe-ríodo de 6 meses.
Caracterización del quitosano
Humedad y cenizas: se
deter-minó gravimétricamente (15; 26).
Nitrógeno total: se realizó
em-pleando el método Kjeldahl (15).
Análisis del mosto y vino: se
realizaron los siguientes análisis mensualmente durante seis me-ses.
Polifenoles totales: se
deter-minó por el método colorimétrico de Folin-Ciocalteau a 765nm (Ge-nesys 10U), usando como patrón ácido gálico (2).
Catequinas: se determinó
apli-cando el método espectrofotomé-trico desarrollado por Ponpei y Petri, reportado por Amerine (2) a 500nm, usando como patrón ca-tequina.
Color: se analizó mediante
es-pectrofotometría UV-Visible (Ge-nesys 10UV) a 420 nm (2).
Dióxido de azufre libre y to-tal: se determinó mediante
va-loración con solución de yodo 0,01M en medio ácido y en pre-sencia de almidón como indica-dor (11).
Diseño experimental:
Corres-ponde a un diseño de tipo experi-mental, evolutivo contemporáneo, ya que se buscó información a lo largo del tiempo y en el presente, multieventual de rasgos ya que las mediciones fueron realizadas en varios eventos concernientes a la investigación (14), para determi-nar variables como, polifenoles totales, dióxido de azufre libre y total, catequinas y color.
Así mismo, el diseño estadísti-co, correspondió a un modelo fac-torial de análisis de varianza con parcelas divididas al azar, ya que este sirve para evaluar el efecto individual y en conjunto de dos ó más factores. Cada factor se con-cibe como una variable indepen-diente categórica y este efecto se mide sobre una variable depen-diente cuantitativa (22).
Utilizar más de un factor en un diseño posee la ventaja de poder estudiar el efecto de la interacción entre los factores. Por esta razón se adoptó el modelo de dos fac-tores (variables independientes), un primer factor denominado tiempo con siete niveles (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 meses) que corresponderán con los tiempos de la observación y un segundo factor denominado
estabilizante con cuatro niveles (control, caseinato de potasio, quitosano de elaboración propia y quitosano comercial) (22). Las variables dependientes cuantita-tivas son las que se midieron: Po-lifenoles, Catequinas, Dióxido de azufre libre, Dióxido de azufre to-tal y color. Los datos obtenidos se procesaron con el programa SPSS Statistics 20.0. (30)
El interés se centra en tres as-pectos: los dos efectos principales (uno por cada factor) y el efecto de la interacción entre ambos factores (22). Esto con el fin de poder apreciar como variaron los parámetros físicos químicos medidos a través del período de almacenamiento; independiente-mente del adsorbente utilizado y que los adsorbentes utilizados in-fluyen en la estabilización de los mismos.
resultadosydIscusIón
La caracterización del quitosa-no obtenido de la desacetilación de la quitina a partir de conchas de camarón, arrojó los siguientes valores: humedad 8,43±0,09%, cenizas 0,24±0,01% y nitrógeno 7,57±0,02%. La humedad y con-tenido de nitrógeno están dentro de los límites reportados para quitosano (10), correspondientes a intervalos de 2 a 10% y de 7 a
8,40%, respectivamente. Así mis-mo, se observó que el contenido de cenizas se encuentra dentro del rango de 0,2% a 1,7%, repor-tado por Choy y Meyers (6). En cuanto al contenido de nitrógeno, se observó que su valor supera considerablemente la concentra-ción reportada por Hernández y col. (13), la cual fue 0,26%.
Polifenoles: En la figura 1 se
presenta el contenido de poli-fenoles para los vinos tratados con los diferentes adsorbentes en función del tiempo de almace-namiento. El análisis de varianza arrojó que el contenido de poli-fenoles depende en un nivel alta-mente significativo (p<0,01) de la variable tiempo, adsorbente y la interacción de la misma, lo que indica una variación de la medida durante el tiempo de almacena-miento. El vino tratado con quito-sano comercial presentó el menor valor de polifenoles al finalizar el período de evaluación (226 ± 1,41 mg·L-1).
El contenido de polifenoles en los vinos tratados y vino control, están en el rango de 143-300mg·L -1. El máximo valor encontrado
(300mg·L-1)se encuentra por
en-cima del valor máximo del rango reportado para vino blanco (50 y 250mg·L-1) por Ribéreau-Gayon y
col. (25), y dentro del intervalo es-tablecido por Flanzy (8) de 50-350