Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA
Aplicación del Extracto Liofilizado de Chocho para Tratamiento de Cromo en Aguas Residuales
de Curtiembre
TESIS
Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico
Autores: Br. Panta Rivera, Anthony Paúl
Br. Zavaleta Bustamante, Franco Armando Asesor: Dr. Quezada Alvarez, Medardo Alberto
Trujillo – Perú
2021
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
JURADO CALIFICADOR
__________________________________
Dr. Aguilar Quiroz, Croswel Eduardo PRESIDENTE
__________________________________
Dr. Cruz Monzón, José Alfredo SECRETARIO
__________________________________
Dr. Quezada Alvarez, Medardo Alberto ASESOR
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
DEDICATORIA
A Dios.
Por su todopoderosa protección y guía, no solo durante esta investigación, sino también a lo largo de toda mi vida; por haber sido luz en los momentos más difíciles de este proceso y por haberme permitido alcanzar las metas propuestas habiendo adquirido nuevos y valiosos conocimientos y habilidades personales y profesionales.
A mi madre, Isabel Rivera.
Por su infinito e incondicional apoyo desde antes que siquiera tuviera uso de la razón; por ser el más grande soporte de mi derrotero de vida y por su inacabable paciencia y confianza en mi persona. Día a día sigue siendo motivo de grata sorpresa el gran amor y bondad que nos muestra en cada acción realizada. Ni las palabras ni los gestos nos alcanzarán para agradecer todo lo que ha hecho por nosotros a lo largo de nuestros caminos.
Porque nunca me cansaré de decirlo: Te amo, mamá A mi hermano, Kristhian Panta.
Por ser una de las más grandes motivaciones para superarme cada día; por haber sido uno de los más grandes soportes durante mi vida y porque en el día a día he aprendido y sigo aprendiendo mucho gracias a él.
A Miguel Rufino, Hermelinda Zeta y Noelia Zeta.
Por la incalculable bondad, apoyo y paciencia que me han demostrado desde mis primeros pasos; por haberme dado la alegría de que sean parte de mi familia, y por habernos tendido la mano sin dudarlo cuando lo hemos necesitado. Las palabras no me alcanzarán para demostrar lo agradecido que me siento con cada uno de ustedes.
A Milagros Aguilar.
Por no ser uno de mis más grandes, sino el más grande soporte que he tenido durante esta etapa de mi vida. Por llenar este camino de otros colores, por ayudarme a levantarme de mis caídas, por haber sido el principal motivante de mi vida desde el inicio de este capítulo hasta el presente, y por su invalorable apoyo académico, profesional, pero sobre todo moral y emocional, algo que desde hace ya un buen tiempo me hace ver la vida con otros ojos.
Por todo eso y más, te amo, Mily.
Anthony Paúl Panta Rivera
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
A mis padres…, Sofia Bustamante y Fernando Zavaleta.
…Ante todo, porque este logro es de ellos y para ellos. A pesar de las adversidades supieron sacarme adelante como persona y profesional. Siempre estaré agradecido con ustedes y será una deuda eterna.
A mis hermanos, Fernanda Zavaleta y Luis Zavaleta.
Que siempre confiaron en mí y me apoyaron incondicionalmente durante mi etapa de estudiante, cada uno a su modo, gratitud infinita también para ustedes
A mi familia.
Por siempre estar pendiente de mí y el proceso que conllevó a culminar mis estudios universitarios. Por ver en mi una meta y hacerla suya.
A mi abuelo, Gastón Zavaleta Que en paz descanse, por su eterno e incondicional cariño, su constante preocupación a pesar de la distancia.
Franco Armando Zavaleta Bustamante
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos al Dr. Alberto Quezada, por el asesoramiento brindado y la confianza depositada en nuestro trabajo. Su invalorable aporte ha sido fundamental en el desarrollo del presente proyecto de investigación, así como en el desarrollo de nuestras capacidades y aptitudes como investigadores.
Agradecemos, asimismo, a todos los miembros del Laboratorio de Tecnologías Limpias y/o Emergentes presentes durante esta etapa: Anthony, Luz, Juan, Vanesa, Sofía, Iván, Rocío, Maricielo, Bryan, José Miguel y todos los demás tesistas que también forman parte de esta familia institucional, por su incondicional apoyo, alegría y amistad, que hicieron de esta etapa una experiencia mucho más agradable e inolvidable.
Los Autores
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
INDICE
JURADO CALIFICADOR ... ii
DEDICATORIA ... iii
AGRADECIMIENTOS ... iv
INDICE ...v
RESUMEN ... xv
ABSTRACT ... xvi
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN ... 1
1.1 Realidad problemática ... 1
1.1.1 Antecedentes ... 1
1.2 Marco teórico y conceptual ... 3
1.2.1 Industria de curtido ... 3
1.2.2 Aguas residuales de curtiembre ... 6
1.2.3 Metales pesados ... 7
1.2.4 El cromo ... 8
1.2.5 Contaminación de agua por cromo en las industrias de curtido... 9
1.2.6 Alcaloides ... 11
1.2.7 El tarwi o chocho ... 12
1.2.8 Complejos o compuestos por coordinación ... 16
1.3 Problema ... 18
1.4 Hipótesis ... 18
1.5 Objetivos ... 19
1.6 Justificación del problema ... 19
CAPÍTULO II: MATERÍALES Y MÉTODOS ... 22
2.1 Materiales, reactivos, equipos e instrumentos ... 22
2.1.1 Materiales y reactivos ... 22
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
2.2 Métodos y técnicas ... 24
2.2.1 Acondicionamiento de material de tratamiento ... 24
2.2.2 Recolección de material de estudio ... 26
2.2.3 Tratamiento de muestras de estudio ... 26
2.2.4 Determinación de remoción de cromo en aguas de curtido ... 27
2.2.5 Cálculo de la capacidad de remoción por precipitación, QR ... 28
2.2.6 Ensayos preliminares ... 29
2.3 Diseño experimental ... 32
2.3.1 Variables y operacionalización ... 34
2.3.2 Población y muestra ... 36
2.3.3 Métodos de análisis de datos ... 36
CAPÍTULO III: RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 39
3.1 Soluciones ideales ... 39
3.1.1 Agua de desamargado de tarwi de aplicación directa ... 39
3.1.2 Agua de desamargado de tarwi concentrada a rotaevaporación ... 46
3.1.3 Extracto liofilizado de agua de desamargado de tarwi... 53
3.1.4 Selección del mejor agente de tratamiento: ... 59
3.1.5 Comparación de la actividad de remoción entre agentes de tratamiento ... 61
3.2 Agua de curtido (soluciones reales) ... 63
3.2.1 Influencia del pH en la remoción de cromo en muestras digestadas de agua de curtido usando agua de desarmagado de tarwi concentrada a rotaevaporación ... 66
3.2.2 Influencia de la dosis de alcaloides en la remoción de cromo en muestras digestadas de agua de curtido usando agua de desarmagado de tarwi concentrada a rotaevaporación ... 68
3.2.3 Prueba estadística paramétrica ... 69
CAPÍTULO IV: CONCLUSIONES ... 73
CAPÍTULO V: RECOMENDACIONES ... 75
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
CAPÍTULO VII: ANEXOS ... 83
Anexo 1: Protocolos de trabajo ... 83
Anexo 2: Curva de calibración de cromo hexavalente... 102
Anexo 3: Concentraciones y volúmenes implicados en la medición de cromo en soluciones ideales y reales ... 103
Anexo 4: Concentraciones de cromo en soluciones ideales y reales ... 106
Anexo 5: Porcentaje y capacidad de remoción de cromo en soluciones ideales y reales aplicando distintos agentes de tratamiento... 111
Anexo 6: Pruebas de normalidad ... 116
Anexo 7: Prueba de igualdad de varianza ... 123
Anexo 8: Pruebas de efecto inter-sujetos ... 125
Anexo 9: Registro fotográfico ... 127
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Etapas, operaciones, pH, composición del efluente y consecuencias de estos. ... 4
Tabla 2: Características de los efluentes de la curtiembre... 6
Tabla 3: Características del efluente por etapas (mg/L) ... 7
Tabla 4: Toxicidad de cromo (III) y cromo (VI) en algunas especies de agua dulce ... 9
Tabla 5: Métodos de recuperación de cromo de los efluentes de curtido... 10
Tabla 6: Clasificación taxonómica del tarwi o chocho ... 12
Tabla 7: Producción de tarwi, tarhui o chocho por Departamento ... 13
Tabla 8: Alcaloides quinolizidínicos de las semillas de Lupinus mutabilis ... 14
Tabla 9: Principales fracciones de alcaloides de tarwi ... 15
Tabla 10: Sub variables de las variables independientes ... 33
Tabla 11: Réplicas y combinaciones de tratamientos ... 33
Tabla 12: Operacionalización de variables ... 35
Tabla 13: Porcentaje de remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado de de aplicación directa... 39
Tabla 14: Capacidad de remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa ... 39
Tabla 15: ANOVA en la remoción de cromo de soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa. ... 44
Tabla 16: Post hoc en la remoción de cromo de soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa ... 45
Tabla 17: Porcentaje de remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 46
Tabla 18: Capacidad de remoción de cromo de soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 46
Tabla 19:ANOVA en la remoción de cromo de soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 51
Tabla 20: Post hoc en la remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 52
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Tabla 21: Porcentaje de remoción de cromo en soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 53 Tabla 22: Capacidad de remoción de cromo en soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 53 Tabla 23:ANOVA en la remoción de cromo de soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 57 Tabla 24: Post hoc en la remoción de cromo de soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 58 Tabla 25: Mejores tratamientos por cada agente empleado en soluciones ideales ... 59 Tabla 26: Post hoc de los mejores tratamientos en soluciones ideales. ... 60 Tabla 27:Porcentaje de remoción de cromo en agua de curtido usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 64 Tabla 28:Capacidad de remoción de cromo en agua de curtido usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 64 Tabla 29:Porcentaje de remoción de cromo en agua de curtido digestada usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 65 Tabla 30:Capacidad de remoción de cromo en agua de curtido digestada usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 65 Tabla 31:ANOVA en la remoción de cromo en agua de curtido usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 70 Tabla 32:Post hoc en la remoción de cromo en agua de curtido usando desamargado concentrad a rotaevaporación... 71 Tabla 33: Metales que pueden ser digestadas con el Método de prueba SW-846 3015 A .. 85 Tabla 34: Especificaciones del Método Nanocolor-Macherey Nagel ... 98 Tabla 35: Conservación y Preservación de Muestra de Agua ... 101 Tabla 36: Absorbancias y concentraciones de curva de calibración de cromo ... 102 Tabla 37: Concentraciones y volúmenes en la remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa ... 103
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Tabla 39: Concentraciones y volúmenes en la remoción de cromo en soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 104 Tabla 40: Concentraciones y volúmenes en la remoción de cromo en agua de curtido con desamargado concentrado a rotaevaporación ... 105 Tabla 41:Concentraciones y volúmenes en la remoción de cromo de agua de curtido digestada usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 105 Tabla 42: Concentraciones en soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa ... 106 Tabla 43:Concentraciones en blancos de soluciones ideales previos al tratamiento con desamargado de tarwi de aplicación directa. ... 106 Tabla 44:Concentraciones en soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 107 Tabla 45:Concentraciones en blancos de soluciones ideales previos al tratamiento con desamargado concentrado a rotaevaporación. ... 107 Tabla 46: Concentraciones en soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 108 Tabla 47:Concentraciones en blancos de soluciones ideales previos al tratamiento con extracto liofilizado de desamargado de tarwi ... 108 Tabla 48:Concentraciones en agua de curtido usando desamargado concentrado a rotaevaporación. ... 109 Tabla 49:Concentraciones en blancos de agua de curtido previos al tratamiento con desamargado concentrado a rotaevaporación. ... 109 Tabla 50: Concentraciones en agua de curtido digestada usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 110 Tabla 51: Concentraciones en blancos de agua de curtido digestada previos al tratamiento con desamargado concentrado a rotaevaporación. ... 110 Tabla 52: Masa de cromo en soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa ... 111 Tabla 53: Porcentaje y capacidad de remoción en soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa ... 111
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Tabla 54:Masa de cromo en soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 112 Tabla 55: Porcentaje y capacidad de remoción en soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 112 Tabla 56: Masa de cromo en soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 113 Tabla 57:Porcentaje y capacidad de remoción en soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 113 Tabla 58:Masa de cromo en agua de curtido usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 114 Tabla 59:Porcentaje y capacidad de remoción en agua de curtido usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 114 Tabla 60:Masa de cromo en agua de curtido digestada usando desamargado de tarwi concentrado a rotaevaporación ... 115 Tabla 61:Porcentaje y capacidad de remoción en agua de curtido digestada usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 115 Tabla 62: Normalidad en pH respecto a la remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa ... 116 Tabla 63: Normalidad en pH respecto a la remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 116 Tabla 64: Normalidad en pH respecto a la remoción de cromo en soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 116 Tabla 65: Normalidad en pH respecto a la remoción de cromo en agua de curtido digestada usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 117 Tabla 66: Normalidad en dosis respecto a la remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa ... 117 Tabla 67: Normalidad en dosis respecto a la remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 117 Tabla 68: Normalidad en dosis respecto a la remoción de cromo en soluciones ideales usando
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Tabla 69: Normalidad en dosis respecto a la remoción de cromo en agua de curtido digestada usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 118 Tabla 70: Normalidad en la remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa... 118 Tabla 71:Normalidad en la remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 119 Tabla 72:Normalidad en la remoción de cromo en soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 120 Tabla 73:Normalidad en la remoción de cromo en agua de curtido digestada usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 121 Tabla 74:Efectos inter-sujetos en la remoción de cromo de soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa. ... 125 Tabla 75:Efectos inter-sujetos en la remoción de cromo de soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 125 Tabla 76:Efectos inter-sujetos en la remoción de cromo de soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 125 Tabla 77: Efectos inter-sujetos en la remoción de cromo de soluciones ideales usando agentes de tratamiento distintos ... 126 Tabla 78: Efectos inter-sujetos en la remoción de cromo de agua de curtido digestada usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 126
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Diagrama de flujo del Proceso Curtiente ... 5
Figura 2: Difusión celular del cromo. ... 8
Figura 3: Zonas de Producción del tarwi, tarhui o chocho. ... 13
Figura 4: Estructuras de los principales alcaloides quinolizidínicos ... 15
Figura 5: Pares de electrones libres en el nitrógeno de los alcaloides del chocho ... 17
Figura 6: Conformación y numeración de los átomos en esparteína y 𝛂 -isoesparteína. .... 18
Figura 7: Influencia del pH en el porcentaje de remoción de cromo de soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa ... 40
Figura 8: Influencia del pH en la capacidad de remoción de cromo de soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa ... 40
Figura 9: Diagrama de distribución de especies de cromo a diferentes concentraciones .... 41
Figura 10: Influencia de la dosis en el porcentaje de remoción de cromo de soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa ... 42
Figura 11: Influencia de la dosis en la capacidad de remoción de cromo de soluciones ideales usando desamargado de tarwi de aplicación directa ... 42
Figura 12: Influencia del pH en el porcentaje de remoción de cromo de soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 47
Figura 13: Influencia del pH en la capacidad de remoción de cromo de soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 47
Figura 14: Influencia de la dosis en el porcentaje de remoción de cromo de soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 48
Figura 15: Influencia de la dosis en la capacidad de remoción de cromo de soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 49
Figura 16: Influencia del pH en el porcentaje de remoción de cromo de soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 54
Figura 17: Influencia del pH en la capacidad de remoción de cromo de soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 54
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Figura 19: Influencia de la dosis en la capacidad de remoción de cromo de soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 56 Figura 20: Relación entre temperatura y contenido de alcaloides de variedad “Boruta” .... 62 Figura 21: Efecto de la temperatura en el contenido de alcaloides de cultivo “Probor” ... 63 Figura 22: Influencia del pH en el porcentaje de remoción de cromo de agua de curtido digestada usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 66 Figura 23: Influencia del pH en la capacidad de remoción de cromo de agua de curtido digestada usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 66 Figura 24: Diagrama de distribución de especies del cromo trivalente. ... 67 Figura 25: Influencia de la dosis en el porcentaje de remoción de cromo de agua de curtido digestada usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 68 Figura 26: Influencia de la dosis en la capacidad de remoción de cromo de agua de curtido digestada usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 68 Figura 27: Curva de Calibración de Cromo Hexavalente... 103 Figura 28: Gráfica Q-Q normal de capacidad de remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa. ... 119 Figura 29: Gráfica Q-Q normal de capacidad de remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación. ... 120 Figura 30: Gráfica Q-Q normal de capacidad de remoción de cromo en soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 121 Figura 31: Gráfica Q-Q normal de capacidad de remoción de cromo en agua de curtido digestada usando desamargado concentrado a rotaevaporación ... 122 Figura 32: Prueba de igualdad de varianzas en la capacidad de remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado de aplicación directa. ... 123 Figura 33: Prueba de igualdad de varianzas en la capacidad de remoción de cromo en soluciones ideales usando desamargado concentrado a rotaevaporación. ... 123 Figura 34: Prueba de igualdad de varianzas en la capacidad de remoción de cromo en soluciones ideales usando extracto liofilizado de desamargado ... 124 Figura 35: Prueba de igualdad de varianzas en la capacidad de remoción de cromo en agua
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
RESUMEN
En esta investigación, se evaluó la influencia del pH inicial de muestra y dosis de alcaloides provenientes de semillas de chocho o tarwi (Lupinus mutabilis Sweet) en la remoción de cromo de efluentes de la etapa de curtido, provenientes de la empresa Curtiduría Sarco S.A.C., usando tres agentes de tratamiento correspondientes a los métodos de obtención de alcaloides: Agua de desamargado de tarwi aplicación directa, agua de desamargado concentrada a rotaevaporación y extracto liofilizado de agua de desamargado. Se trabajó a tres niveles por cada variable, siendo los niveles de pH 4.0, 6.0 y 8.0, y niveles de dosis distintos para cada agente. Se tomó una cantidad aproximada de 3 mg de cromo como unidad muestral, a 40°C, centrifugación a 5100 RPM y filtrado simple. Tras análisis estadísticos, se concluyó que ambos factores influyen en las variables de respuesta analizadas: Porcentaje y capacidad de remoción, para soluciones ideales y que los mejores agentes de tratamiento correspondieron al agua de desamargado concentrada a rotaevaporación y extracto liofilizado de agua de desamargado, no existiendo diferencia significativa entre estos, por lo que la liofilización del agua de desamargado no resulta necesaria, siendo seleccionada el agua de desamargado concentrada para el tratamiento en el efluente de curtido. Tras el análisis estadístico, se concluyó que existe influencia de ambos factores y su interacción en las variables de respuesta analizadas, siendo el mejor tratamiento el correspondiente a un pH 8 y una dosis de 7.98 mg de alcaloides, alcanzando un porcentaje de remoción de 70.75% y una capacidad de remoción de 310.31 mg/g.
Palabras clave: Lupinus, Lupinus mutabilis, alcaloides, cromo, aguas de curtido, remoción, pH, dosis, desamargado, liofilización
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
ABSTRACT
In this research, the influence of the initial pH of the sample and the dose of alkaloids from lupine or tarwi (Lupinus mutabilis Sweet) seeds on the removal of chromium from effluents of the tanning stage, from the company Tannery Sarco SAC, was evaluated. Using three treatment agents corresponding to the methods of obtaining alkaloids: Tarwi debittering water direct application, debittering water concentrated by rotary evaporation and lyophilized extract from debittering water. We worked with three levels for each variable, being the levels of pH 4.0, 6.0 and 8.0, and different dose levels for each agent. An approximate quantity of 3 mg of chromium was taken as a sample unit, at 40 ° C, centrifugation at 5100 RPM and simple filtering. After statistical analysis, it was concluded that both factors influence the analyzed response variables: Percentage and removal capacity, for ideal solutions and that the best treatment agents were debittering water concentrated to rotary evaporation and lyophilized extract from debittering water. There is not a significant difference between these, so that the lyophilization of the debittering water is not necessary, so the concentrated debittering water was selected for the treatment in the tanning effluent. After the statistical analysis, it was concluded that there is influence of both factors and their interaction in the analyzed response variables, being the best treatment the one corresponding to a pH 8 and a dose of 7.98 mg of alkaloids, reaching a removal percentage of 70.75%. and a removal capacity of 310.31 mg / g.
Key Words: Lupinus, Lupinus mutabilis, alkaloids, chromium, tanning waters, removal, pH, dose, debittering process, lyophilizatio
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN
1.1 Realidad problemática 1.1.1 Antecedentes
La amplia gama de actividades en donde se utilizan los metales pesados en nuestros días es cada vez mayor, lo cual a su vez trae una problemática ambiental cuya urgente necesidad de ser atendida constituye un objetivo prioritario en el desarrollo industrial.
La Organización Mundial de la Salud (OMS) y las Naciones Unidas indican que actualmente la escasez de agua constituye una amenaza ambiental cada vez mayor, la cual se acrecienta aún más con la acumulación de contaminantes cada vez más grande en efluentes de agua (Vega, 2019).
En este contexto, los metales pesados constituyen uno de los principales grupos de contaminantes industriales. Estos, por lo general, poseen una elevada toxicidad, existiendo como iones en soluciones acuosas, lo que permite que puedan ser absorbidos por el cuerpo humano e, incluso, por las plantas (Choque, 2017).
Muchos de ellos son asociados a trastornos metabólicos en seres vivos debido a su elevada toxicidad en altas concentraciones. Es así como una bioacumulación o biomagnificación de los mismos puede desencadenar enfermedades e incluso la muerte (Albarracín, 2014).
Según Rey de Castro (2013), en el Perú, los efluentes residuales industriales se disponen en distintos cuerpos de agua, lo cual afecta a la flora y fauna, así como también a los grupos humanos que dependen de ellas. Las industrias cuyos efluentes representan un alto nivel de contaminación constituyen un gran grupo, siendo una de las que más destaca la industria de curtiembre, esto debido a la gran carga contaminante constituida principalmente por los remanentes de cromo, el cual representa el principal agente curtidor empleado.
El cromo es uno de los metales pesados más representativos, ya que es de amplia
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
altas concentraciones. Se presenta fundamentalmente en dos estados de oxidación: Cr (III) y Cr (VI).
Lugo, Ureña, Barrera & Sánchez (2008), citado por Chavez & Contreras (2019), nos indica que el límite máximo de cromo que se puede asimilar es de 50 a 200 µg/día. Por una parte, tenemos al cromo trivalente que, si bien no constituye un riesgo para la salud, en cantidades altas puede constituir un contaminante tóxico; y por otra, el cromo hexavalente, el cual es considerado un potencial cancerígeno, y en cantidades mínimas podría provocar la muerte.
En nuestro país, los procesos que se usan con mayor frecuencia para la producción de cueros emplean aproximadamente entre 60% a 80% del cromo utilizado para el proceso de curtido, lo cual deriva en la generación de aguas residuales que poseen una elevada concentración del total de este elemento. Esto supone la urgencia de la necesidad de implementar un método de tratamiento que permita alcanzar los Valores Máximos Admisibles (VMA) establecidos por el DS 021-2009-VIVIENDA. (Córdova et al., 2014)
La gran cantidad de cromo en los efluentes industriales de curtiembre se debe, según Scholz & Lucas (2003), citado por Vega (2019), principalmente, a la baja eficiencia en el empleo de los agentes químicos. Así, para garantizar que el colágeno sea penetrado y reaccione con estos productos, se emplea un exceso de estos agentes, frente a una asimilación parcial del cuero.
Las principales investigaciones de métodos de recuperación de cromo en efluentes industriales han sugerido métodos de adsorción, bioadsorción (Aravindhan et al., 2004), intercambio iónico, precipitación, bioremediación y membranas. Sin embargo, cada uno de estos métodos tienen algunas desventajas como la cantidad de agente de tratamiento utilizado, reactivos adicionales y grandes volúmenes de solventes, altos costos, limitantes frente a la materia orgánica, pH y otros parámetros. (Rey de Castro, 2013)
En nuestro país y, mayoritariamente en la región La Libertad, existe un consumo marcado de las semillas de chocho o tarwi (Lupinus mutabilis Sweet), el cual es una legumbre cuya cocción implica un proceso de remojo previo para remover el amargor y la
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
acidez. Este procedimiento, llamado “proceso de desamargado”, implica la utilización de grandes volúmenes de agua, los cuales, en su mayoría, se disponen en diversos cuerpos de agua.
El carácter amargo de las semillas se debe a la presencia de metabolitos secundarios conocidos como alcaloides, cuya estructura molecular está compuesta principalmente de anillos heterocíclicos, los cuales poseen un átomo de nitrógeno con dos pares de electrones libres. Esta configuración explica la capacidad de estos compuestos para formar complejos de coordinación con metales pesados como el cromo, plomo, cadmio y níquel, como se ha logrado observar en investigaciones previas como la de Haro (2008) y Choque (2017), por lo que es válido considerar que su aplicación en efluentes de curtiembre puede constituir un método para el tratamiento de cromo trivalente.
1.2 Marco teórico y conceptual 1.2.1 Industria de curtido
Según Salvador (2013), la industria del curtido es una de las actividades más antiguas en lo que a procesos industriales se refiere. Hay evidencia de haberse hallado cueros curtidos en las pirámides de Egipto, donde mantenían las pieles en el tiempo gracias a bálsamos hechos a base de grasas vegetales y animales, así como también aceites de la misma procedencia. Siglos después, los agentes de curtición eran obtenidos al remojar en agua la corteza de los árboles previamente triturados manualmente, el cual podía llevar semanas en obtenerlos. Esta técnica se aprendía de generación en generación desde la Edad Media.
Luego este proceso se fue industrializando hasta implementar equipos a mayor escala y agentes químicos tales como tambores, taninos y las sales de cromo que es el agente químico básico en el proceso de curtición, el cual netamente cambia las propiedades del cuero. Esto permitió darle más usos al producto final, el cuero, optimizando el proceso. En conclusión, la función principal de esta industria es obtener calzados, chaquetas y demás accesorios de vestido mediante el procesamiento de la piel de los animales ya mencionados.
Específicamente en la ciudad de Trujillo, departamento de La Libertad, la industria de curtiembre tiene un alto potencial de mantener su operación a corto, mediano y largo plazo, debido a que uno de sus principales proveedores de pieles se encuentra en el
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Tabla 1: Etapas, operaciones, pH, composición del efluente y consecuencias de estos.
Etapas Operación Composición del efluente Consecuencias
Proceso de ribera
Remojo
Estiércol, suero de sangre, NaCl, CaCO3, proteínas solubles, naftalina, tensoactivos y otros
preservantes, plaguicidas.
Altos niveles de DQO y sólidos suspendidos.
Pelambre y calero
Pelo, grasa, proteína, queratina, sulfuros y cal, alto contenido de
sólidos suspendidos.
Emisión de sulfuro de hidrógeno.
Desencalado y rendido
Sales cálcicas solubles, pigmentos, proteínas solubles, alto contenido de nitrógeno por
sales amoniacales.
Emisión de amoniaco.
Piquelado NaCl, ácidos, biocidas. Niveles elevados de sólidos disueltos.
Desengrase Disolventes, emulsionantes, altas concentraciones salinas,
grasa.
Altos niveles de DBO y sólidos suspendidos disueltos, residuos grasosos.
Proceso de curtido
Curtición al cromo
Elevada salinidad, abundancia de sales de cromo, fibras en
suspensión, grasas emulsionadas.
Alto contenido de cromo III y otros metales.
Curtido vegetal y
sintético
Tanino pirocatequínicos y pirogálicos, fenoles y polifenoles, sales neutras y
fibras de cuero.
Disposición de lodos.
Curtición con aceites y alternativos
Aceites oxidados, sales de aluminio, de circonio, de titanio,
formaldehído, aceite de bacalao (para gamuza) y glutaraldehídos.
-
Acabados
Neutralizació
n Sales neutras y de cromo. -
Recurtición, tintura y engrase.
Grasas emulsificadas, colorantes, sales neutras y recurtientes (de todo tipo).
Descarte de solventes, generación de material particulado, atmosférico,
sustancias tóxicas.
Fuente: Ramírez, 2014
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Figura 1: Diagrama de flujo del Proceso Curtiente. (Elaboración propia, 2021)Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
1.2.2 Aguas residuales de curtiembre
El sulfato básico de cromo es uno de los derivados del más usados para curtir pieles, en lo que respecta al cromo trivalente. Esta sal de cromo constituye entre el 30-35% en las aguas de residuo que deja la industria curtidora.
Teniendo en cuenta que esta información es la más actual en cuanto a trabajos investigación del tema se refiere, por eso se puede inferir que las grandes cantidades de agua con efluente de curtiembres es un problema muy serio a nivel mundial que sigue siendo tema de investigación para su pronta y oportuna mitigación, poniendo un énfasis especial en las altas concentraciones de cromo, que es el contaminante que mayor concentración presenta en el proceso y a su vez dañino en diferentes aspectos.
Arcos, D. (2018), según la Tabla 2, concluye que hay evidencias sobre la variación de la composición de los efluentes entre diferentes curtiembres, ya que dichas variaciones dependen de la cantidad de producción diaria y la cantidad de insumos en el proceso.
En la Tabla 2, se puede observar que existen componentes en los efluentes que son comunes en la mayoría de los procesos de curtición.
Tabla 2: Características de los efluentes de la curtiembre
Parámetro
Tipo de curtido Curtido Vegetal
(mg/L) Curtido al Cromo (mg/L)
DBO 1000 900
DQO 3000 2500
Sulfuro 160 160
Sulfato 2000 2000
Cloruro 2500 2500
Nitrógeno Total 120 120
Aceite y grasas extractables en éter 200 200
Fósforo 1 1
Cromo (Cr3+) - 70
Sólidos totales 10000 10000
Sólidos suspendidos 1500 2500
Ceniza total 6000 6000
Ceniza en sólidos suspendidos 500 1000
Sólidos sedimentables (2 horas) 50 100
pH 9 9
Fuente: Esparza & Gamboa, 2001
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Tabla 3: Características del efluente por etapas (mg/L)
Proceso
Demanda Química Orgánica
Nitrógeno Fosfatos
Aceites y grasas
Solidos
sedimentables Sulfuros Cromo III Hasta el
pelambre 8400 356 32.4 2500 7640 0 0
Pelambre 42500 3650 16.4 14740 25500 2200 0
Hasta el
curtido 18400 296 11.2 1586 7780 0 0
Curtido 8400 300 11.3 132 6100 0 6400
Fuente: Esparza & Gamboa, 2001
1.2.3 Metales pesados
Nuestro planeta posee una diversidad innumerable de recursos de todo tipo que satisface nuestras principales necesidades, sin embargo, con el descubrimiento de la metalurgia, las necesidades del hombre se fueron redefiniendo y empezaron a descubrirse nuevos recursos que no se encontraban fácilmente, por ende, necesitaban un proceso especial para su obtención, tales como la obtención de metales.
Debido a esta necesidad, se comenzó a extraer los metales en su estado puro, procesando el mineral que lo contiene, en la mayoría de los casos compuestos por uno o más elementos no esenciales para el hombre, pero que perjudican al medio ambiente. Estos elementos alteran el equilibrio de la naturaleza y son causantes de la contaminación a la que está sometido nuestro planeta.
El mineral también puede estar compuesto de otros metales que son extremadamente dañinos y determinan la contaminación del agua, incluso de seres vivos, si éstos tienen una elevada concentración. De tal manera que, en la naturaleza se puede encontrar todo tipo de minerales los cuales contienen metales pesados, que a grandes concentraciones son muy tóxicos.
Muchos metales pesados son vertidos al medio ambiente en grandes concentraciones, por este motivo se debe hacer un tratamiento previo a la descarga, para que metales como el plomo, cadmio, mercurio, cobre, hierro y cromo mantengan concentraciones bajo el límite permitido por las normas establecidas. El cromo es el segundo metal pesado más abundante presente en los lugares contaminados (Martinez y Vargas, 2017)
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
1.2.4 El cromo
El cromo está presente ampliamente en toda la corteza terrestre, sin embargo, como ya hemos puntualizado anteriormente, este elemento no se presenta en su estado puro, sino que está constituido en rocas que contienen otros componentes que permiten su equilibrio natural. Por consiguiente, su vertido o eliminación en un proceso es inevitable ya sea en su extracción, elaboración de algún derivado o al utilizarlo como insumo en otro proceso industrial.
El Decreto Supremo N° 004-2017-MINAM se aprueban los estándares nacionales de calidad ambiental para agua. En este documento se establece que tanto el cromo VI como el cromo total debe tener límite máximo de 0.05 mg/L de concentración en su vertimiento.
1.2.4.1 Efectos en la salud
El cromo puede llegar a ser extremadamente tóxico al ingresar al cuerpo; sin embargo, su estado de oxidación (VI) no es el principal causante de las lesiones a nivel celular sino sus estados de oxidación intermedios (IV) y (V) quienes pueden difundirse a través de la membrana celular, estando dentro de la célula se reducen inmediatamente a cromo (III) que es altamente tóxico para el ADN, alterándolo y pudiendo generar cáncer.
Figura 2: Difusión celular del cromo (Fuente: Esparza y Gamboa, 2001, citado por Cordova, 2014).
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
1.2.5 Contaminación de agua por cromo en las industrias de curtido
Sin duda, el cromo es el principal contaminante de la industria curtidora, habiendo más insumos usados en su proceso. Las sales de cromo usadas en la etapa de curtido, tal como el sulfato básico de cromo (III) por lo general derivan de sales de cromo (VI) siendo ésta última la más dañina ya que a concentraciones 100 veces menores a las del cromo (III) provoca efectos muy tóxicos en diferentes especies de agua dulce.
Tabla 4: Toxicidad de cromo (III) y cromo (VI) en algunas especies de agua dulce
Especie Nombre
común Efecto
Concentración letal (ppm)
Cr (VI) Cr (III)
Daphnia magna Pulga de agua Mortalidad 0,03 3,4
Oncorhynchus mykiss Trucha arco iris Mortalidad 0,18 24
Gammarus sp Crustáceo
anfípodo Mortalidad 0,81 6,4
Fuente: Rey de Castro, 2013
1.2.5.1 Tratamiento de cromo en soluciones acuosas
La EPA (Agencia de Protección Ambiental) se encarga de considerar límites máximos de contenido, en este caso, de cromo en aguas de consumo humano. Sin embargo, la industria curtiembre eliminan en sus efluentes niveles muy por encima de lo permitido.
Existen estudios para reducir el cromo en soluciones acuosas recomendando adsorción y bioadsorción, intercambio iónico y precipitación.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Tabla 5: Métodos de recuperación de cromo de los efluentes de curtido Tipo de método
de recuperación.
Agente principal en la recuperación
de cromo.
Eficiencia del proceso de recuperación.
Desventajas
Adsorción
Carbón activado 13,8 mg Cr/g de adsorbente
Se necesita gran cantidad de adsorbente para retirar el cromo y grandes volúmenes de disolvente
y/o energía para la desorción.
Aserrín 4,44 mg Cr/g de
adsorbente Carbón de cascara de
arroz
21 mg Cr/g de adsorbente
Lodos activados -
Bioadsorción
Algas marrones Sargassum wightii
Max: 35 mg Cr/g de adsorbente
Se necesita gran cantidad de adsorbente para retirar el cromo y grandes volúmenes de disolvente y/o energía para la desorción.
Residuos de piel animal tratados con hierro
Max: 51mg Cr/g de adsorbente Pulpa de caña de
azúcar
17,2 mg Cr/g de adsorbente
Lana 9 mg Cr/g de
adsorbente
Mazorca de maíz -
Cáscara de coco -
Intercambio iónico
Resina catiónica 40 mg Cr/g de adsorbente
Los métodos necesitan reactivos adicionales y grandes volúmenes de solventes. Las resinas son extremadamente caras y algunas requieren un proceso de
activación. No son
económicamente viables.
Alúmina activada Zeolitas
Precipitación
NaOH al 25% (p/v) 99%
Ca(OH)2 97-99%
Úrea 98-99%
Necesita otros reactivos adicionales para regular el pH.
Incrementa costos operacionales.
MgO -
Membranas
Membranas poliméricas de diversa composición.
-
La materia orgánica (DBO) y proteínas presentes pueden taponear las membranas y quitar
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Según la membrana pueden servir para micro, ultra y nanofiltraciones.
eficiencia al proceso. Esto puede ser temporal o permanente.
Bioremediación Diferentes cepas de
bacterias -
Las bacterias son muy sensibles al pH, concentración inicial del
metal, presencia de
contaminantes, temperatura.
Fuente: Rey de Castro, 2013
1.2.6 Alcaloides
Desde el punto de vista químico, los alcaloides son aquellos metabolitos secundarios derivados de los aminoácidos de origen vegetal, en cuya estructura poseen átomos de nitrógeno como parte de un heterociclo, poseyendo también átomos de carbono e hidrógeno, pocas veces, átomos de azufre y algunas veces, átomos de oxígeno, predominando en cuatro familias de plantes, como lo son la Boraginaceae, Asteraceae, Fabaceae y Apocynaceae (Latif, Chiapusio & Weston, 2017; Límaco, 2011).
Haro (2008), citado por Choque (2017), nos dice que estos compuestos tienen una toxicidad elevada, y son usados en el reino vegetal como mecanismo de defensa ante los depredadores. Debido a estas características, muchos de ellos son eliminados de los alimentos previo a su consumo.
La gran mayoría de alcaloides tienen una serie de propiedades similares. Según Ringuelet y Viña (2013), entre sus propiedades generales, destacan:
Peso molecular: 100 – 900 g/mol.
Absorben rayos UV debido a los núcleos aromáticos en sus estructuras.
Reacción alcalina (carácter básico), debido al par de electrones libres en el átomo de nitrógeno.
Carácter amargo, inodoros y en su mayoría, incoloros (salvo algunos alcaloides específicos como la berberina y la sanguinaria).
En soluciones acuosas, precipitan con sales de metales pesados (cromo, plomo, cadmio, etc.), ácido pícrico y taninos.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
1.2.7 El tarwi o chocho 1.2.7.1 Taxonomía
La clasificación actual del tarwi o chocho es la siguiente:
Tabla 6: Clasificación taxonómica del tarwi o chocho
Reino Vegetal
División Fenerógama Clase Dicotiledonea
Orden Fabales
Familia Fabaceae
Género Lupinus
Especie Lupinus mutabilis Nombre común Tarwi, Tarhui o Chocho
1.2.7.2 Concepto y distribución geográfica
El tarwi, comúnmente también conocido como chocho (Lupinus mutabilis) se conoce como una leguminosa perteneciente al género Lupinus originaria de los Andes, precisamente cultivado desde Ecuador hasta Chile, pasando por Perú y Bolivia, hasta el noreste de Argentina, siendo un grano comestible (Canelo, López, I., López, E. & Perales, 2018).
En el Perú, la mayor producción se lleva a cabo en La Libertad. Según el Ministerio de Agricultura y Riego (MINAGRI, 2019), en el Anuario de Producción Agrícola 2018, nos indica que las 5 principales zonas geográficas donde existe una mayor producción de chocho o tarhui son La Libertad (6 083 TM), con un 36.9% de lo que se produce en todo el país;
Cusco (3 329 TM), con un 20.2%; Apurímac (2 437 TM) con un 14.8%; Puno (1 401 TM), con el 8.5%; y Huánuco (1 024 TM), con un 6.2%.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Figura 3: Zonas de Producción del tarwi, tarhui o chocho. (Elaboración propia, 2021)
Tabla 7: Producción de tarwi, tarhui o chocho por Departamento
Departamento Producción anual (2018), TM Participación, % Amazonas
Ancash Apurímac Ayacucho Cajamarca Cusco Huancavelica Huánuco Junín La Libertad Puno
89 386 2 437
444 415 3 329
279 1 024
595 6 083
1401
0.5 2.3 14.8
2.7 2.5 20.2
1.7 6.2 3.7 36.9
8.5
TOTAL 16 481 100
Fuente: MINAGRI, 2019
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
1.2.7.3 Alcaloides del Chocho
En el género Lupinus, los alcaloides derivan de la quinilizidina, por lo que se denominan alcaloides quinolizidinos, siendo estos compuestos heterocícilicos, que pueden presentarse como N-óxidos y bases terciarias, en concentraciones distintas de acuerdo a la especie. En el caso de Lupinus mutabilis, se trata de una especie amarga con un 3.8% de concentración de estos metabolitos, siendo los alcaloides predominantes: Lupanina, esparteína y 1,3-Hidroxilupanina (Martínez & Acosta, 2020), como se observa en la Tabla 8.
Tabla 8: Contenido de alcaloides quinolizidínicos de las semillas de Lupinus mutabilis provenientes de los Andes de Colombia.
Sustancias % Área
Alcaloides
quinolizidínicos (g/100 g semilla)
NI 1.339 0.0170
Esparteína 21.061 0.2673
NI 0.133 0.0017
NI 0.375 0.0048
4-Hidroxilupanina 2.213 0.0281
Hidroxiesparteína 0.616 0.0078
Amondendrina 0.363 0.0043
Lupanina 57.555 0.7305
1,3-hidroxilupanina 11.595 0.1472
NI 1.370 0.0174
Otros 3.38 0.0429
Valores totales 100 1.2700
Fuente: Martínez & Acosta, 2020
Cabe recalcar que este porcentaje varía de acuerdo a la distribución geográfica. Así, por ejemplo, Camarena, Huaringa, Jiménez & Mostacero (2012), citado por Rayo (2020), presenta a la 1,3-Hidroxilupanina como el segundo alcaloide en cantidad por encima de la esparteína, a diferencia de lo presentado por Martínez & Acosta (2020), donde la esparteína tenía un mayor porcentaje.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Tabla 9: Principales fracciones de alcaloides de tarwi
Alcaloides Porcentaje (%)
Lupanina 1,3-Hidroxilupanina
Esparteína 4-Hidroxilupanina
Isolupanina
60.0 15.0 7.5 9.0 3.0 Fuente: Camarena et al., 2012 Estructura química
Su característica principal es la presencia de mínimo un sistema de anillo quinolizidínico. Dependiendo el grado de sustitución, por lo menos ocho grupos de alcaloides quinolizidínicos pueden ser distinguidos en los siguientes tipos estructurales:
lupinina, leontidina, esparteína/lupanina/miltiflorina, 𝛼-piridonico, matrina, ormosia, piperidínicos y dipiperidínicos y estructuras miseceláneas (Pizano, 2014). Las estructuras de los principales alcaloides se pueden observan en la Figura 4.
Figura 4: Estructuras de los principales alcaloides quinolizidínicos (Fuente: Choque, 2017)
1.2.7.4 Proceso de desamargado de tarwi
Los alcaloides de chocho, similar a los demás, poseen un carácter tóxico para la alimentación humana, por lo que es necesario su eliminación de la semilla previo a su consumo. Este proceso, llamado “desamargado del chocho” se lleva a cabo utilizando grandes volúmenes de agua, durante varios días.
Según Borja (2014), citado por Espejo (2017), indica que el porcentaje de estos
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
mayor la constituye la lupanina (entre el 27.0 al 74.0%). Tras el proceso de desamargado, la proporción de alcaloides debe ser como máximo del 0.02% para considerar que su consumo es seguro.
Podemos afirmar, por lo tanto, que la solución de desamargado es rica en alcaloides (más del 99% de alcaloides del chocho son eliminados en el proceso), por lo que las propiedades de estos compuestos pueden ser aprovechados a partir de estos efluentes, que en la región muchas veces son eliminados de manera indiscriminada en diferentes cuerpos acuíferos, lo que provoca una problemática ambiental, debido al costo y complejidad de la recuperación de estas aguas. (Rodríguez, 2009).
1.2.8 Complejos o compuestos por coordinación
Choque (2017) define a los compuestos de coordinación como aquellos que poseen uno o más átomos centrales rodeados por otros grupos de átomos, donde existe por lo menos un enlace covalente coordinado en uno de ellos. Los átomos del compuesto que rodean al átomo central (llamados ligandos) se van adicionando sucesivamente hasta que se obtiene un complejo con el mayor número de ligandos posibles, cuya estabilidad está relacionada a la naturaleza del metal (que es el que constituye el átomo central) y el ligando.
La formación de complejos con compuestos orgánicos naturales depende de varios factores, entre los que se puede destacar la cantidad y variedad de sitios de coordinación, así como la afinidad de estos ligandos con los metales. Sin embargo, se ha observado anteriormente también que existen variaciones en la complexión de metales cuando la concentración de estos aumenta.
1.2.8.1 Complejos de Cromo con alcaloides quinolizidínicos
Como se ha mencionado ya, existe gran cantidad de alcaloides presentes en el desamargado de Lupinus mutabilis, principalmente esparteína, lupanina, 𝛼- isolupanina, 4- hidroxlupanina y 13-hidroxlupanina. Estos compuestos forman fácilmente complejos con metales y pueden ser bases quirales potenciales para reacciones estereoquímicas (Przybył &
Kubicki, 2011). Este comportamiento se debe a la presencia de pares de electrones libres en los nitrógenos de los anillos heterocíclicos.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Figura 5: Pares de electrones libres en los átomos de nitrógeno de los alcaloides del chocho (Fuente: Haro, 2008)
Haro (2008), citado por Choque (2017), nos indica que las estructuras de estos alcaloides les permiten actuar como ligandos monodentados y bidentados, lo que les da la capacidad de complexión con metales como cadmio y plomo.
Es importante mencionar que el mecanismo de complejación entre los alcaloides quinolizidínicos y los metales ha sido estudiado; sin embargo, aún existe escasa información sobre el tema, siendo la esparteína el alcaloide más estudiado. Esto se debe a que la esparteína exhibe una interesante isomería configuracional-conformacional, al disponer de cuatro anillos y dos átomos de nitrógeno N1 y 16 colocados en el espacio, lo que lo hacen un excelente ligando para la formación de complejos metálicos. Esto es, principalmente el efecto de los anillos terminales A y D del alcaloide que se pliegan sobre el metal. Esta característica de la esparteína y su formación de estructuras cristalinas de complejos ha sido estudiada y reportada con cloruros de cobre, cobalto, níquel y zinc, con los centros de cobre (II), cobalto (II), níquel (II) y zinc (II) en estos complejos que siempre tienen una geometría tetraédrica distorsionada (Jasiewicz, 2009).
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Figura 6: Conformación y numeración de los átomos en esparteína (1) y α -isoesparteína (2). (Fuente: Jasiewicz, 2009)
Para efectos de esta investigación, se evaluará el tratamiento de cromo en soluciones acuosas usando los alcaloides extraídos del agua de desamargado de chocho, evaluando para ello dos variables de estudio: pH inicial de muestra y dosis de alcaloide aplicada. Se espera que la capacidad de complexión de los alcaloides quinolizidínicos con metales pesados permita la remoción de cromo de la muestra del efluente industrial de curtido empleada.
1.3 Problema
¿Son el pH y la dosis de extracto liofilizado obtenido de aguas de desamargado de Lupinus mutabilis Sweet factores que influyen en la remoción de cromo en soluciones acuosas?
1.4 Hipótesis
El pH inicial de muestra y la dosis de extracto liofilizado obtenido de aguas de desamargado de Lupinus mutabilis Sweet son factores que influyen en el grado de remoción de cromo en soluciones acuosas, esto debido a que el pH influye en las cargas de los iones involucrados en la complejación de los alcaloides quinolizidínicos con los metales, y el extracto liofilizado de agua de desamargado de tarwi posee en su estructura este tipo de alcaloides, lo que permite la remoción del cromo.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
1.5 Objetivos
Objetivo general:
Evaluar el efecto del pH y la dosis de alcaloides provenientes de Lupinus mutabilis Sweet en la remoción por precipitación de cromo en aguas residuales de curtiembre, usando distintos métodos de obtención de alcaloides.
Objetivos específicos:
● Evaluar el efecto del pH en la remoción de cromo usando alcaloides de Lupinus mutabilis Sweet con distintos métodos de obtención de alcaloides, a las condiciones de evaluación.
● Evaluar el efecto de la dosis de alcaloides de Lupinus mutabilis Sweet en la remoción de cromo con distintos métodos de obtención de alcaloides, a las condiciones de evaluación.
● Evaluar el efecto sinérgico del pH y la dosis de alcaloides de Lupinus mutabilis Sweet en la remoción de cromo con distintos métodos de obtención de alcaloides, a las condiciones de evaluación.
● Establecer una comparación de la actividad de remoción de cromo (porcentaje de remoción y capacidad de remoción) entre los distintos métodos de obtención de alcaloides a partir de Lupinus mutabilis Sweet.
1.6 Justificación del problema
La acumulación de los residuos líquidos en la industria de curtiembres, es un problema latente en nuestra realidad; la alta presencia de metales pesados, y diferentes contaminantes colocan la necesidad de su tratamiento como primordial. Es por ello que encontrar tratamientos de remoción de cromo, el cual es el principal metal pesado presente, de bajo costo, y que no presente una demanda de métodos de alto uso de químicos, es necesario.
Según Hidalgo (2015), la mayoría de los cueros a nivel mundial utilizan sulfato básico de cromo (entre un 80 a 90%). Sin embargo, el cromo presente en los efluentes líquidos está en el rango del 30 al 40% p/p. Este alto porcentaje representa, por lo tanto, una problemática ambiental importante.
Fuck et. al (2011) realizó un estudio en el que analizó la oxidación del cromo
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
comparación en muestras naturales y envejecidas. Si bien la presencia de cromo hexavalente en el cuero azul húmedo se mantuvo por debajo del límite de detección de 3mg/kg, en el proceso de recurtido, el envejecimiento tuvo un efecto más significativo, llegando a alcanzar concentraciones de hasta 26,7 mg/kg de Cr (VI).
Por otra parte, Covington (2009), citado por Rey de Castro (2013) señala que las sales de cromo trivalente usadas en el proceso de curtido se producen a partir de sales de cromo VI, razón por la que se pueden encontrar cantidades mínimas de cromo hexavalente en los insumos de curtido. A pesar de ello, es necesario considerar que, en este estado de oxidación, concentraciones 100 veces menores que en su forma trivalente pueden llegar a ser altamente perjudiciales para la salud y el ambiente.
La empresa Curtiduría Sarco S.A.C., proveedora de la muestra de estudio de esta investigación, en su Declaración de Adecuación Ambiental (DAA) del año 2017, presentó los resultados del monitoreo de parámetros en su efluente industrial, donde se observa una concentración de cromo total de 71.75 mg/L, los cuales se encuentran por encima de los Valores Máximos Admisibles (VMA) establecidos en el D.S. 021-2009-VIVIENDA y su modificatoria D.S. 001-2015-VIVIENDA, correspondiente a una concentración de 10 mg/L, lo que sugiere la necesidad de implementar un método de tratamiento. Por otra parte, también se observa una concentración de cromo hexavalente (0.024 mg/L), pero esta se encuentra por debajo del VMA establecido por el mismo decreto.
Según Choque (2017), es la capacidad de formar complejos como quelatos o ligandos con metales pesados de algunos alcaloides lo que les permite intervenir en el crecimiento vegetal, e incluso son empleados en la biorremediación de agua y suelo.
Como se ha mencionado anteriormente, la estructura molecular de los alcaloides quinolizidinicos muestra pares de electrones libres en los átomos de nitrógeno, característica que le permitiría formar complejos con metales pesados.
La región de Perú de mayor producción de chocho es La Libertad (MINAGRI, 2019). Sin embargo, la cocción de esta legumbre implica un proceso de desamargado utilizando un gran volumen de agua. Este efluente, rico en alcaloides (>99% de alcaloides totales de tarwi), podría ser utilizado para el tratamiento de efluentes contaminados con metales pesados. Sin embargo, en la actualidad, estas propiedades no son utilizadas en la región.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Desde esa perspectiva, la presente investigación busca evaluar el tratamiento de las aguas residuales de curtiembre utilizando las propiedades de complexión de los alcaloides de tarwi, esto mediante el análisis de dos variables independientes: pH inicial de muestra y dosis de alcaloides empleadas. Asimismo, para efectos de un mayor control en la dosis empleada, se llevará a cabo un proceso de liofilización del agua de desamargado, y se establecerá una comparación entre este método y el agua de desamargado obtenido directamente de la cocción de chocho y de la rotaevaporación de esta, los cuales constituyen fundamentalmente los pasos previos al proceso de liofilización.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
CAPÍTULO II
MATERÍALES Y MÉTODOS
2.1 Materiales, reactivos, equipos e instrumentos 2.1.1 Materiales y reactivos
Descripción UM Cantidad
Materiales Balón de vidrio de base redonda, 500 ml
Celdas de cuarzo Celdas de vidrio Desecador
Embudo Büchner, Ø 62 mm Embudo de vidrio
Espátula Fiola, 100 ml Fiola, 250 ml Fiola, 50 ml
Frasco de vidrio, 100 ml Frasco de vidrio, 300 ml Luna reloj
Matraz Erlenmeyer, 250 ml Matraz Kitasato, 250 ml Micropipeta, 1 ml Olla Metálica
Papel filtro cuantitativo grado 388, Ø 125 mm Papel filtro W1, 60 x 60 cm
Papel tisú
Pera de decantación, 250 ml Pipeta graduada, 1 ml Pipeta graduada, 5 ml Pipeta volumétrica, 10 ml Pizeta
Probeta, 50 ml
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Cajas Und.
Cajas Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
1 2 5 1 1 9 1 4 1 2 1 4 2 22
2 1 1 1 20
1 2 1 2 2 1 1
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Tubo de ensayo de vidrio con tapa rosca, 40 ml Tubo Falcon, 20 ml
Tubo Falcon, 50 ml
Vaso de precipitación, 150 ml Vaso de precipitación, 50 ml Vaso de precipitación, 500 ml
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
5 1 1 3 1 1
Reactivos 1,4 – Difenilcarbazida
Ácido nítrico cc.
Ácido sulfúrico cc.
Agua destilada Cloroformo
Dicromato de potasio Hidróxido de amonio cc.
Hidróxido de potasio Hidróxido de sodio
Kit fotométrico de análisis NANOCOLOR Óxido de aluminio básico
Reactivo de Dragendorff
g L L L L g L g g Und.
g mL
0.2500 0.020 0.055 10 0.060 0.1414
0.010 4 15
1 0.6 0.5
2.1.2. Equipos e instrumentos
Descripción UM Cantidad
Equipos e instrumentos Balanza analítica modelo AS 220/C/2 RADWAD ±0.01 g Baño María modelo BHS-2 JOANLAB
Bomba de vacío modelo VP 80 VWR Collection
Centrifugadora modelo PLC-012E Marca Universal Centrifuge Digestor ORION COD 165 Thermoreactor
Espectrofotómetro UV-VIS, ORION AQUAMATE 8000 Estufa modelo 100-800 marca Memmet
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
1 1 1 1 1 1 1 1 1
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Lector multiparámetro Modelo Orion STAR A321 Thermo Scientific
Agitador magnético con calentamiento MSH-S SCILOGEX Rotavapor RV 3 V – C IKA
Ultracongelador serie NV FDM
Liofilizador modelo FDB-5503 OPERON
Und.
Und.
Und.
Und.
Und.
1
1 1 1 1
2.2 Métodos y técnicas
2.2.1 Acondicionamiento de material de tratamiento
2.2.1.1 Desamargado de Lupinus mutabilis
1) El chocho (Lupinus mutabilis) fue adquirido en el Mercado Mayorista del distrito de Trujillo, provincia de Trujillo, departamento de La Libertad. Las semillas fueron separadas de otras incompletas o en mal estado, además de otros elementos extraños (semillas de arroz, paja, etc.) y luego fueron lavadas a chorro de agua con el fin de eliminar toda la suciedad presente.
2) Se pesaron 500 gramos de semillas de chocho para luego pasar a ser remojados en 1 Litro de agua destilada por 24 horas, haciendo uso de una olla metálica. Este paso constituyó la etapa de remojo.
3) Una vez finalizada la etapa de remojo, se procedió a hervir el agua de remojo junto a las semillas por un periodo de 15 minutos. Este paso constituyó la etapa de desamargado 1.
4) Posteriormente, el agua restante de la etapa de desamargado 1 se almacenó en un envase de plástico, mientras que las semillas de chocho “desamargadas” fueron sumergidas nuevamente en 1 Litro de agua destilada que fue hervido junto a las mismas por un periodo de 30 minutos. Este paso constituyó la etapa de desamargado 2.
5) El agua restante fue mezclada junto al “agua de desamargado” de la etapa de desamargado 1 y esta fue almacenada hasta el siguiente paso.
