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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO INGENIERÍA QUÍMICA
Diseño de un proceso para el tratamiento biológico de vinazas y disminuir su impacto sobre el medio ambiente
TESIS
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE DOCTORA EN INGENIERIA QUÍMICA AMBIENTAL
Autora : Ms. Barturén Quispe, Ada Patricia Asesor : Dr. Moncada Albitres, Luis Orlando
TRUJILLO – PERÚ 2023
Registro Nº.:_________
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MIEMBROS DEL JURADO DICTAMINADOR
___________________________________
Dr. Manuel Isaías Vera Herrera PRESIDENTE
__________________________________
Dr. Miguel Eduardo Hurtado Gastañadui SECRETARIO
______________________________________
Dr. Luis Orlando Moncada Albitres ASESOR
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DEDICATORIA
A Dios por haber guiado mis pasos, cuidado, sobre todo en esta pandemia
y que me ha permitido llegar a culminar mi tesis.
A mis padres César y Flor, mis hermanos Alfonso, César y Cecilia por su apoyo incondicional y poder cumplir mis metas personales y profesionales.
A mis abuelos Francisco, Herminia, Alfonso y Olga porque siempre tengo en mi recuerdo,
sus enseñanzas y consejos para salir adelante en la vida.
A mis hijos Gabriela y Rafael, por ser el motivo de mi esfuerzo diario, con quienes comparto mis triunfos, alegrías y tristezas.
A Segundo por haberme impulsado a seguir con mi superación profesional y personal y no desmayar antes los inconvenientes que se dan en el camino.
A mi amigo Martín por apoyarme en mi desarrollo profesional para ser mejor cada día.
Ada Patricia Barturén Quispe
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AGRADECIMIENTO
A los docentes del programa de doctorado en Ingeniería Ambiental de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Trujillo, por compartir su experiencia, conocimientos durante mi formación doctoral.
Al Dr. Luis Orlando Moncada Albitres por su apoyo como asesor en la elaboración de la tesis doctoral.
Al Dr. Martin Carbajal Gamarra por su apoyo en la parte experimental de la tesis y coasesoría en la ONG-CIFOS “Centro de Investigación para el fomento sustentable”
Al MSc. Biologo César Cabrejos por su apoyo en el aislamiento del consorcio microbiano en el Laboratorio Biología y Microbiología de la Universidad San Martín de Porres – Filial Norte.
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PRESENTACIÓN
Señores miembros del jurado:
En cumplimiento con el Reglamento de Grados de la Escuela de Posgrado de la Universidad Nacional de Trujillo presento a vuestra consideración y criterio el presente trabajo intitulado:
Diseño de un proceso para el tratamiento biológico de vinazas y
disminuir su impacto sobre el medio ambiente con el objetivo de obtener el grado de Doctora en Ingeniería Química Ambiental.
Trujillo, febrero 2022
_____________________________
MSc. Ada Patricia Barturén Quispe
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ÍNDICE
Jurado Calificador……….... ii
Dedicatoria………... iii
Agradecimientos……….. iv
Presentación………. v
Índice………... vi
Índice de tablas……… vii
Índice de figuras……….. viii
Resumen……….. ix
Abstract……… x
I. INTRODUCCIÓN……….. 1
1.1 Antecedentes……….. 4
1.2 Marco teórico………. 10
II. MATERIALES Y MÉTODOS………... 16
2.1. Objeto de estudio……….. 16
2.2. Instrumentación……… 16
2.3. Métodos y técnicas………... 18
2.3.1 Aislamiento de las bacterias metanogénicas……….. 18
2.3.2 Metodología utilizada para análisis de vinaza……… 19
2.3.3 Metodología usada para el acondicionamiento y fermentación de vinaza………... 20
2.3.4 Análisis estadístico………. 21
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN……….. 22
IV. CONCLUSIONES………. 30
V. PROPUESTA……… 32
VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……….. 33
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Características de Vinaza en el mundo………..
11
Tabla 2. Energía Equivalente (Valor Energético) Biogas Vs. Otras fuentes……...
15
Tabla 3. Metodología de ensayos realizados para la vinaza………
19
Tabla 4. Parámetros fisicoquímicos obtenidos de la vinaza………...
22
Tabla 5. Parámetros cinéticos encontrados para el Modelo de Ecuación
Modificada Gompertz………...
29
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Producción de Etanol en el Perú (2002 – 2019). (OECD et al., 2019)…… 3
Figura 2. Imágenes de peces muertos por anoxia en el Rio Zaña………. 4
Figura 3. Principales vías para la degradación anaerobia de la materia orgánica….. 13
Figura 4. Diagrama del Proceso propuesto de Fermentación anaerobia……… 21
Figura 5. Comportamiento de la temperatura a 27°C, 31°C y 35°C……….. 24
Figura 6. Comportamiento del pH a 27°C, 31°C y 35°C……….. 25
Figura 7. Producción de metano a temperaturas 27°C, 31°C y 35°C……… 25
Figura 8. Remoción de DQO a las temperaturas 27°C, 31°C y 35°C………. 26
Figura 9. Porcentaje de remoción de DQO a las temperaturas 27°C, 31°C y 35°C…. 27 Figura 10. Producción de metano por día a las temperaturas 27°C, 31°C y 35°C…. 27 Figura 11. Representación de los datos experimentales y simulados a la cinética de Gompertz a las temperaturas 27°C, 31°C y 35°C……… 28
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RESUMEN
Se produjo la degradación de vinazas y generación de biometano mediante centrifugación, filtrado y fermentación anaerobia con bacterias metanogénicas del género Methanococcus spp y Methanobacterium spp, a temperatura de 35°C. Las vinazas obtenidas de una destilería fueron recogidas a la salida de la planta alcoholera a una temperatura de 120°C, la cual se caracterizó, lo que permitió determinar el índice de biodegradabilidad de 0.4081 valor que determinó que la vinaza es capaz de biodegradarse; apta para realizar la digestión anaeróbica.
En cuanto al índice de competitividad de 21.976 indica que no hay inhibición de las bacterias reductoras de sulfato en el proceso de metanogénesis.
La vinaza fue sometida a centrifugación y filtración con carbón activado, luego del cual se acondicionó en un reactor batch agregando los nutrientes Urea, KH2PO4 y se estabilizó el pH para luego agregar el consorcio microbiano. Se acondicionó el biorreactor batch a una temperatura de 27°C, 31°C y 35°C en donde se evaluó la degradación de DQO y la producción de metano, resultando la temperatura de 35°C en donde se tuvo los mejores indicadores como 59,819% de DQO final y 15,35 ml de metano generado. Además, se determinó la cinética del proceso fermentativo usando el software Polymath donde se demostró que con la ecuación modificada de Gompertz se puede explicar el comportamiento digestión anaerobia. Por lo tanto, se consiguió disminuir el DQO, además de la generación de metano mediante el proceso planteado sin diluir la vinaza y mediante un proceso batch, de tal forma que no solo se reduce el impacto ambiental, sino que además se genera una fuente de energía sostenible en benefició de la fábrica alcoholera.
Palabras clave: vinaza, DQO, fermentación anaerobia, consorcio microbiano
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ABSTRACT
The degradation of vinasses and the generation of biomethane through centrifugation, filtering and anaerobic fermentation with methanogenic bacteria of the genera Methanococcus spp and Methanobacterium spp at the temperatura of 35°C. The vinasses obtained from a distillery were collected at the outlet of the alcohol plant at temperatura of 120°C, which was characterized which allowed determining the biodegradability index of 0.4081, a value that determined the the vinasse is capable of biodegrading; suitable for anaerobic digestión. Regarding the competitiveness index of 21.976, it indicates that there is no inhibition of sulfate-reducing bacteria in the methanogenesis process.
The vinasse was subjected to centrifugation and filtration with activated carbón, after which it was conditioned in a batch reactor adding the nutrients Urea, KH2PO4 and the pH was stabilized to then add the microbial consortium. The batch biorreactor was conditioned at a temperatura of 27°C, 31°C y 35°C where the degradation of COD and the production of methane were evaluated, resulting in a temperatura of 35°C where the best indicators were obtained, such as 59.819° of final COD and 15.35 ml of methane generated. In addition, the kinetics of the fermentative process was determined using the Polymath software, where it was shown that the modified Gompertiz equation can explain the anaerobic digestión behavior. Therefore, it was posible to reduce the COD, in addition to the generation of methane through the proposed process without diluting the vinasse and through a batch process, in such a way that not only the environmental impact is reduced, but also a source of sustainable energy for the benefit of the alcohol Factory.
Keywords: vinasse, COD, anaerobic fermetation, microbial consortium
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I. INTRODUCCIÓN
La disposición de residuos industriales como las vinazas, que es un residuo agroindustrial, es actualmente de interés a nivel mundial, debido a que en su mayoría son arrojadas al medio ambiente impactando agua y suelo, debido a ello existen la tendencia de diferentes tratamientos, aplicando procesos amigables con el medio ambiente con el fin de cumplir las regulaciones ambientales dadas en muchos países, además en muchos casos es posible obtener energía renovable como el biogás, una alternativa a los combustibles fósiles representando bajos costos de producción y ayudando a la disminución de gases de efecto invernadero.(Velichkova et al., 2017).
Una de las alternativas usadas para la disposición de las vinazas usadas es la fertirrigación en Brasil para reciclar nutrientes como el potasio y el agua; sin embargo, la continua administración de vinaza en los suelos trae como consecuencia a largo plazo la salinización del suelo, la desestabilización del terreno, las perdidas de la actividad microbiana y la acidificación de suelos y agua (Fuess et al., 2018).
Las vinazas a nivel mundial generadas por las empresas alcoholeras difieren por el tipo de materia prima utilizada para la producción de alcohol etílico. Tales como melaza de caña, de jugo de caña, remolacha, agave, uva, sorgo dulce. En la zona norte de Perú la mayor cantidad de vinazas generadas es de las industrias que producen alcohol etílico a partir melaza de caña.
Las plantas de etanol producen entre 9 a 20L de vinaza/litro de alcohol etílico, las vinazas por lo general contienen una elevada carga orgánica (DQO) que puede estar entre 40000 y 134400 ppm, los valores de la demanda bioquímica de oxígeno DBO están entre 16000 – 96000, las temperaturas de descarga fluctúan entre 80 y 120°C,
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además presentan un pH menor a 5, por lo que son bastante ácidas.(Miguel Ahmed, 2016);(Velichkova et al., 2017);(Baez-Smith, 2006).
La contaminación generada por la descarga de vinazas a los cuerpos de agua (ríos, drenes, etc) la cual tiene una alta carga de DBO y DQO, Ph menor de 4 y color marrón oscuro, sumado de que se desechan a temperaturas elevadas han provocado anoxia en los seres vivos acuáticos, malos olores que afectan a la población, tal es así que existen diversos estudios realizados para disminuir el impacto ambiental de vinazas, pero cada estudio es diferente debido a las condiciones variantes de la materia prima, la cual depende de su ubicación.
A nivel de América Latina han existido diferentes problemas ambientales por contaminación con vinazas como por ejemplo en el río Tonaya y su impacto en el rio Tuxcacuesco. Esto es debido a que en varios países de la Región carecen de regulaciones ambientales y/o en caso de tenerlas no las ejecutan, permitiendo así que las empresas realicen las descargas a cuerpos de agua o suelo afectando al ecosistema. En algunos países se evidencia que el grado de contaminación alcanzó cuerpos de agua en ríos, como ocurrió con el río Ayuquila-Armería en Jalisco (México) durante los años 2011 y 2015, trayendo como consecuencia muertes masivas de peces por intoxicación en la cuenca Tuxcacuesco que alimenta al río Ayuquila-Armería. (Rodriguez, 2015)
(Corresponsal, 2015) una publicación de una cadena de noticias RPP, la cual da información confiable mostró la contaminación ambiental causado por las vertientes directas de vinazas en los ríos de algunos países de América Latina no es diferente al escenario en Perú. En el año 2015 en Lambayeque, la Dirección Ejecutiva de Salud Ambiental (DESA) de la Región Lambayeque remitió al Ministerio Público, resultados de análisis realizados a las aguas del río Zaña, después de la constatación de muerte de
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cientos de peces por intoxicación y contaminación, originada por la descarga de vinaza de una destilería de la Región.
(OECD et al., 2019), que es un estudio publicado por Food & Nations de la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la alimentación y la agricultura) donde se muestra un escenario preocupante en la Región Lambayeque (existen alrededor de 6 plantas de producción de etanol) y el Perú debido al aumento continuo de producción de etanol desde el año 2013 al 2019 con valores alrededores de los 210 millones de litros, como se observa en la Figura 1. Además, en promedio por cada litro de etanol producido se generan entre 9 – 20 litros de vinazas, lo cual hace que la industria de etanol sea generadora de residuos altamente contaminantes.
Figura 1.
Producción de Etanol en el Perú (2002 – 2019).
Nota . Tomado de (OECD et al., 2019)
Adicionalmente, se comprueba los estragos causados por las vinazas como se observa en la Figura 2. En esta se observa la toxicidad en peces, causadas por la descarga de vinaza proveniente de destilerías a los ríos sin recibir un tratamiento.
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Figura 2.
Imágenes de peces muertos por anoxia en el Rio Zaña
Nota. Tomado de Rpp (Corresponsal, 2015)
Finalmente, la vinaza libera gases tóxicos durante su degradación que son propios de su composición y contamina severamente el aire. Estos gases resultan ser más contaminante que el propio dióxido de carbono (Calvo Dayanis et al., 2019) .En este contexto, el biogás metano generado por la degradación anaeróbica de la vinaza puede convertirse en productos con alto valor agregado y ser utilizado en los procesos de generación de energía.
1.1.- Antecedentes
El Subproducto de la producción del alcohol etílico es la vinaza, se produce en una proporción de 8 a 15 L por cada L de alcohol etílico producido. (Miguel Ahmed, 2016).
Las vinazas son también llamadas aguas residuales de destilería, las cuales obtienen alcohol etílico a partir de biomasa de cultivos azucareros como de remolacha, caña de azúcar, melaza de caña de azúcar. Cultivos de almidón como maíz, trigo, arroz, mandioca. (Wilkie et al., 2000).
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Para la elaboración de etanol, el cultivo es preparado en el laboratoio y propagado en una serie de fermentadores, cada uno 10 veces mas grande que el anterior. El mosto es inoculado con un 10% de levadura (Saccharomyces cerevisiae). Este es un proceso anaeróbico realizado bajo condiciones controladas de Ph en donde los azúcares reductores se descomponen en alcohol etílico y dióxido de carbomo, la temperatura se mantenien entre 25 y 32°C mediante intercambiadores de calor o agua de refrigeración la cual se rocían en las paredes del fermentador, la cual se puede realizar en batch o contino en un tiempo entre 24-36 horas con una eficiencia al 95%.. El mosto resultante contiene de 6-8% de alcohol, la destilación del mosto para la obtención de alcohol etílico se obtiene por medio de dos etapas y generalmente s lleva a cabo en columna de platos de burbujeo y luego en la columna de rectificación, obteniéndose de estas dos etapas la vinaza como producto de residual.(Satyawali & Balakrishnan, 2008)
Los efluentes de la industria alcoholera como las vinazas resultan un grave problema para el medio ambiente debido a la alta carga orgánica y las grandes cantidades generadas en el proceso productivo, es por ello la importancia de aprovechar su potencialidad para la generación de energía. (Rodríguez et al., 2020).
La vinaza procedente de la obtención de alcohol etílico es un efluente de color marrón oscuro, con olor fuerte, pH ácido con DBO (demanda biológica de oxígeno entre 16 000 y 60000 mgO2/L, DQO (demanda bioquímica de oxígeno) entre 40000 y 150000 mg O2/L, alto contenido de sales minerales, debido a estas características las vinazas ocasionan un gran impacto al medio ambiente. (Miguel Ahmed, 2016); (Velichkova et al., 2017)
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La industria alcoholera, es una de las industrias mas contaminantes debido a que generan grandes volúmenes de aguas residuales con alta carga orgánica, que puede producir la eutroficación de cuerpos de agua además el color oscuro dificulta la fotosintesis al bloquear la luz solar y por lo tanto es perjudicial para la vida acuática, es por ello que se usan diferentes procesos anaeróbicos o aeróbicos para tratar este efluente. Sin embargo el tratamiento anaerobico es el tratamiento primario mas atractivo debido a la eliminación de mas del 80% de DBO combinada con la recuperación de energía en forma de biogas, otro tratamiento adicional para reducir la carga orgánica y el color incluye métodos biológicos empleando hongos, bacterias y algas y métodos fisicoquimicos como adsorpción, coagulación/precipitación, oxidación y filtración por membrana, sin embargo los tratamientos tienen limitaciones, siendo importante considerar tratamientos integrados que proporcionen mejores resultados en el tratamiento de vinazas (Satyawali & Balakrishnan, 2008); (FitzGibbon, et al., 1998)
Un tratamiento para disminuir la contaminación de vinaza, las cuales son usadas de forma excesiva en la fertilización de los suelos es la reducción de la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y compuestos fenólicos mediante el tratamiento con ozono, para lo cual la vinaza fue sometida a disgetión anaerobia con Mucor Circinelloides (hongo), el residuo es utilizado como sustrato para el crecimiento del hongo, y el caldo de cultivo (vinaza degradada) es sometida a Ozonización de tal forma que en este proceso se obtiene biomasa y biogas. Este proceso permite la remoción de mas de 90% de DQO. (Reis et al., 2019).
Para conocer la influenciaen del ión sulfato en la digestión anaerobia de la vinaza en condiciones termofílicas (55°C), se evaluó la influencia DQO/sulfato en los ratios 12, 10 y 7.5, encontrándose que la producción de CH4 mas baja fue en el
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ratio 12, pero en general la degradación de la materia orgánica no se vió muy afectada por la sulfidogénensis con eliminación de DQO con niveles superiores al 80%, independientemente de la relación inicial DQO/sulfato.(Kiyuna et al., 2017).
Reactor de lecho fluidizado a escala de planta piloto (300 litros) con un lecho fijo 120 litros y dos reactores de biodiscos aerobios de laboratorio y planta piloto ( 50 y 3000 litros). Las vinazas alimentadas tenían hasta 70 gr/litros, (sólidos suspendidos) ss 11 g/l, pH entre 4 y 5, una temperatura de 20 a 25°C. Para el reactor anaerobico la eficiencia de remición de DQO fue significativa entre 60 al 70% en un tiempo de retención de dos días a temperaturas mesófilas con una productividad de 6m3(STP)/m3 de biogas.(de Bazúa et al., 1991).
El tratamiento de vinaza en un biorreactor anaerobio de flujo ascendente alimentado en forma continua con cuatro volúmenes de carga volumétricas entre
1,9 a 9,9 (g DQO/L.d) y tiempo de retención hidráulica (TRH) de dos días, logrando remoción del DQO casi del 70% y una producción de biogás
de 270,5 ml de CH4/g DQO removido.(Cabrera Díaz & Díaz Marrero, 2013).
Para el tratamiento de vinazas tequileras se realizó en tres etapas, centradas en la producción de lactato, Biohidrógeno y metano. En la primera etapa se mantuvo una concentración estable de 12,4 g/l de lactato, correspondiendo al 89% del total de ácidos orgánicos producidos. En la segunda etapa, la fermentación oscura centrada en lactato que implica el desacoplamiento de la producción de Biohidrógeno de la utilización de carbohidratos, este fue un enfoque eficaz que permitió una producción estable de biohidrogeno de 12,3 L/L-d. Finalmente se obtuvo entre 1.6 L CH4/L-d. y 6.5 L CH4/L-d arrojando una recuperación
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energética global de 267,5 KJ / L de Vinaza de Tequila.(García-Depraect et al., 2020)
Se compararon los reactores metanogénicos operados en paralelo, un reactor UASB convencional y un reactor ASTBR de flujo ascendente. Los resultados destacaron la viabilidad de aplicar el ASTBR a vinaza, lo que indica una eliminación global de DQO superior al 80%. El ASTBR exhibió una operación estable a largo plazo (240 días), incluso para valores OLR (razón de carga orgánica) tan altos como 30 kg DQO m3/d. La aplicación de condiciones similares al reactor UASB indicaron graves pérdidas de rendimiento, lo que llevó a la acumulación de ácidos por cada aumento en el OLR, además se estimó un potencial energético de 181,5 MJ por cada metro cúbico de vinaza y se determinó que la regulación de alcalinidad con el bicarbonato resultó ser un factor clave para obtener un rendimiento estable de metano e hidrógeno, compensando las limitaciones de los tiempos de retención hidráulica relativamente bajos (<24 horas).(Fuess et al., 2017).
Se evaluó el reediseño en un reactor UASB (reactor anaeróbico de lodos de flujo ascendente) para incrementar la producción de biogás a partir de vinaza y compararlo con un reactor UASB convencional, la vinaza utilizada contenía altos niveles de materia orgánica 120 grO2/L y un índice de biodegradabilidad (BI) de 0.8. El biorreactor UASB modificado tiene una innovación que consistió en un segundo lodo de lecho de lixiviación, que mejoró la proporción de metano en biogás produciendo 2140 mlCH4 / día en comparación con el biorreactor tradicional (1840 ml CH47día). (Cruz-Salomón et al., 2017).
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Se realizó la degradación de vinaza de la destilería Soderal la cual se realizó en un biodigestor tipo DAF (filtro anaerobio de flujo descendente) con un volumen de 22.5 m3, la vinaza utilizada tenía una concentración entre 53500 mg/l y 78500 mg/l de DQO, acondicionada a pH de 7.35, produciéndose una remoción del 72%
de DQO y 0.31 m3 de CH4/Kg DQO removido, el efluente al final del proceso mantuvo el pH neutro que puede ser usada en fertirriego.(Betancourt & Camilo, 2012).
El trabajo evaluado reediseño un biorreactor de flujo ascendente (UASB) para incrementar la producción de biogas producido por digestión anaerobia en comparación con un UASB convencional, en donde se usó vinaza con alto contenido de materia orgánica con un índice de biodegradablidad de 0.8 (BI), en donde se observó el incremento de producción de biogas de 2140 ml CH4/día en comparación del biorreactor tradicional 1840 ml CH4/día.(Cruz-Salomón et al., 2017).
De acuerdo a los antecedente discutidos, la investigación de esta tesis plantea el tratamiento de vinazas mediante una digestión anaerobia como un proceso potencial para la disminución de DQO, permitiendo reducirlo hasta en un 40,18%
sin diluir la vinaza, además se llegó a determinar la cinética con los datos experimentales obtenidos, los cuales respondieron a la cinética de Gompertz.
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1.2 Marco teórico 1.2.1 Vinazas
Son desechos de la industria alcoholera con elevados DQO (demanda química de oxígeno) y DBO (Demanda bioquímica de oxígeno) y pH ácido menor de 4.
En consecuencia, cuando se analiza la caracterización de las vinazas se evidencia la complejidad de esta biomasa y los estragos que puede generar al suelo, fuentes de agua dulce, aire y alterar ecosistemas. En la Tabla 1 se muestran los datos con los diferentes tipos de vinazas, en donde se observa que hay una variación de la composición química y el pH. Esta variación de valores es debido a que provienen de diferentes fuentes de materia prima utilizado para la producción de alcohol.
Las características de la vinaza depende del tipo de materia prima utilizada para la producción de etanol, esta puede ser de remolacha, caña de azúcar, melaza de caña de azúcar, de sorgo, de uva, de agave. El ratio de cantidad de vinaza obtenida a nivel mundial de las fábricas de producción de etanol varían entre 9 – 20 L, mientras que el de pH va entre 3.5 – 5, son de color marrón, con altas concentraciones de DQO que están entre los 40000 – 134400 mg/l, y el rango de DBO entre 16000 – 96000 gr/l.(Fuess et al., 2017);(Velichkova et al., 2017);(Baez-Smith, 2006);(Wilkie et al., 2000).
Las vinazas obtenidas de la melaza generada en la producción de azúcar tienen concentraciones altas de potasio, calcio, magnesio los cuales son añadidos en la etapa de encalado y clarificación; asimismo, la presencia de sulfatos originada por la adición de ácido sulfúrico. (da Silva et al., 2007).
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Tabla 1
Características de Vinaza en el mundo
Características Melaza de caña Jugo de caña Remolacha Uva Agave Sorgo dulce
DQO (mg/l) 65000-
130000
104000- 134400
84900- 95000
96000 30400 91100 5500-9100 26000-50200 122000 55200- 66300
79900
DBO (mg/l) 30000-
70000
46100- 96000
39500 50000 16700 44900 27500- 44900
14540-16300 67500 20600 46000
Ratio DQO/DBO 2.49 1.95
Sólidos totales (mg/l) 30000- 100000 Sólidos totales
suspendidos (mg/l)
350 Sólidos totales disueltos (mg/l)
80000 79000- 87990 Nitrógeno total (mg/l) 1000-
2000
1660-4200 153-1230 0.13 102-628 3569 1800-4750 104.9-650 1.74 800 Fósforo total (mg/l) 800-1200 225-3038 1-190 00 71-130 163 160-163 65-118.4 0.74 41 1990 Potasio (mg/l) 8000-
12000
9600- 17475
4893- 11000
0.79 1733-1952 10030 10000- 1030
118-800 0.02 240-345 Azufre como SO4 (mg/l) 2000-
6000
3240-3425 3716
pH 3-5.4 3.9-4.3 4.46-4.8 4.1 4.04-4.6 5.35 4.3-5.35 3-4.2 3.8 3.4 4.5
Azufre total (mg/l) 1500-
3480
1356 3500-3720 120 780-880
Cu (mg/l) 0.27-1.71 0.27 4 2.1-5* 0.2-2.36 1.2 0.36-4 37
Cd (mg/l) 0.04-1.36 <1* 0.05-0.08 0.01-0.2
Pb(mg/l) 0.02-0.68 <5* 0.55-1.34 0.065-0.5
Fe (mg/l) 12.8-
157.5
12.7 16 203-226* 0.001-0.077 25 35.2-45 317
Fenoles (mg/l) 34 450* 29-474 44-81
Rendimiento (l) de vinaza/ l etanol
12-20 13 9-15 11.6 10-12 14.3-16
Referencia 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
País India India India Grecia USA
Referencia 1 : (Satyawali & Balakrishnan, 2008), 2: Mahimairaja and Bolan (2004)), 3 : Baez-Smith (2006); Wilkie et al. (2000); Pathak et al. (1999); Kannan and Upreti (2008); Chindankumar et al. (2009);
Hutnan et al.(2003), 4 : Kumari and Phogar (2010), 5 : Baez-Smith (2006); Wilkie et al. (2000); Salomon and Lora (2009); Cail and Barford (1985a), 6 : Wilkie et al. (2000), 7 : Wilkie et al. (2000); Jimenez et al.
(2006); Hutnan et al. (2003); Decloux et al. (2002); Tejada and Gonzalez (2006); Madejo´n et al. (2001), 8 : Bustamante et al. (2005); Vlyssides et al. (2005); Wilkie et al. (2000), 9 : Vlussides et al.(2005), 10 : Ilangovan et al. (1997); CIATEJ (2005); Orendain (2006); Mendez-Acosta et al. (2010); Buitro´n and Carvajal (2010); Lopez et al. (2010), 11 : Wilkie et al. (2000); Gnansounou et al. (2005); Cail and Barford
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1.2.2 Digestión anaerobia
La digestión anaerobia es un proceso microbiológico, en ausencia de aire, dando como resultados diferentes compuestos principalmente metano, dióxido de carbono, degradando la materia orgánica con menor concentración de sólidos volátiles y orgánicos, con importantes ventajas asociadas como la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, además de eliminación de ácidos grasos volátiles, balance energético positivo y proceso productor neto de energía renovable. (Pérez García et al., 2009).
El proceso de degradación anaeróbica de la materia orgánica hasta CO2 y CH4 en donde hay una serie de parámetros físicos y químicos que condicionan estos procesos como son la temperatura, pH, agitación y los nutriente. En el proceso de digestión anaerobia se producen cuatro etapas sucesivas : Hidrólisis (hidrólisis en compuestos solubles, la hidrolisis de estas partículas orgánicas es llevada a cabo por enzimas extracelulares excretadas por las bacterias fermentativas), acidogénesis (moléculas orgánicas solubles son fermentadas por varios microorganismos para formar ácido acético, fórmico, hidrógeno y en menor proporción ac. Láctico, etanol, propiónico, butírico) acetogénesis (los compuestos formados en la etapa anterior son oxidados por bacterias acetogénicas a compuestos que puedan ser utilizados por bacterias metanogénicas) y metanogénesis (aquí las bacterias metanogénicas son las responsables de la formación de metano).(Pérez García et al., 2009).
Según (Angelidaki et al., 1999) desarrollo un modelo matemático dinámico para evaluar el proceso de biodigestión a partir de diferentes residuos que en su composición deben tener carbohidratos, proteínas y lípidos. Las vías principales usadas en este modelo se muestran en la figura :
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Figura 3.
Principales vías para la degradación anaerobia de la materia orgánica
Nota. Tomado de (Angelidaki et al., 1999)
El modelo de la figura plantea dos procesos enzimáticos : A) hidrólisis de carbohidratos no disueltos, B) Proteínas no disueltas y ocho grupos bacterianos : (1)ácidogenos fermentadores de glucosa,(2) bacterias lipolíticas (3) acetógenos degradantes del LCFA (4) acidógenos degradantes de los aminoácidos, (5) propionato, (6) butirato, (7) acetógenos degradantes de valerato (8) metanogénicas acetoclásticas.(Angelidaki et al., 1999).
La inhibición del amoniaco libre produce la acumulación de acidos grasos volátiles (VFA) con descensos de Ph y produce la ionización de amoniaco en equilibrio hacia concentraciones más bajas.
A B
1
3 2 4
5 6 7
CO2 8 CH4
Microbiological
conversionn ComponentOrganic
Lipids Carbohydrates Proteins
LCFA Glycerol
ol
Carbohyd.s Carbohyd.in Aminoacidss Protein in
HPr HBut HVal
HAC
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El sustrato utilizado en el modelo se define por su composición orgánica e inorgánica.
Los componentes orgánicos descritos para el sustrato son carbohidratos, proteínas, lípidos y sus degradaciones intermedias. La masa de células muertas se contabiliza en el modelo y se supone que se descompone gradualmente en carbohidratos y proteínas convirtiéndose así en un nuevo sustrato. Los componentes inorgánicos incluidos en el modelo son amoniaco, fosfato, carbonatos, sulfuro de hidrógeno, aniones y cationes. La concentración neta de cationes esta conformada por Ca+2, Mg +2 y K+1 y juega un importante rol en la determinación del Ph y en la solución tampón en el proceso.(Angelidaki et al., 1999).
1.2.3 Biogás
Es el conjunto de gases producido en el proceso de digestión anaerobia. La composición o riqueza del biogás depende del funcionamiento del bioproceso, la composición promedio en volumen es 50-60% de CH4, 30-40% de CO2 y menos del 5% de H20, H2, H2S, N2, etc. Hay variables de operación que se controlan en los procesos de digestión para la producción de biogás como son régimen de alimentación, contenido en sólidos de la fracción orgánica, tiempo de retención de sólidos y temperatura.
El biogás puede es considerado energía verde, formado principalmente por metano y dióxido de carbono, el cual sometido a una limpieza llamado upgrading mejora la concentración de metano. Un metro cúbico de biogás es suficiente para generar 6 horas de luz equivalente a una bombilla de 60 watt, hacer funcionar una incubadora de 1 metro cúbico de capacidad en un tiempo de 30 minutos, hacer funcionar un motor de 1 HP en dos horas. Su poder calorífico esta aproximadamente entre 18 - 23 MJ/m3.
Además 1 m3 de biometano equivale a Disel 0.90 L, Gasolina 0.99L y Etanol 1,54 L.(Good ney energy, 2019);(Varnero Moreno, 2011)
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Tabla 2.
Energía Equivalente (Valor Energético) Biogas Vs. Otras fuentes Valores Biogas Gas
Natural
Gas Propano
Gas Metano
Hidrogeno Valor Calorífico
(Kwh/m3)
7.0 10 26 10 3
Densidad (t/m3) 1.08 0.7 2.01 0.72 0.09
Densidad con respecto al aire
0.81 0.54 1.51 0.55 0.07
Límite de explosión (%gas en el aire)
6-12 5-15 2-10 5-15 4-80
Temperatura de encendido
687 650 470 650 585
Máxima velocidad de encendido en el aire (m/s)
0.31 0.39 0.42 0.47 0.43
Requerimiento teórico de aire (m3/m3)
6.6 9.5 23.9 9.5 2.4
Nota. Tomado de (Varnero Moreno, 2011)
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2 MATERIAL Y METODO 2.1 Objeto de estudio.
La vinaza recolectada pertenece a una destilería de la Región Lambayeque, la cual fue sometida a caracterización y fermentación anaerobia en el Laboratorio de la ONG-CIFOS y en el Laboratorio de CERPER. El consorcio metanogénico aislado del rumen de ganado fue procesado en las instalaciones del Laboratorio de Biología y microbiología de la Universidad San Martín – filial norte.
2.2 Instrumentación
Medios de cultivo : Agar Tripticasa Soya, agar Almidón, agar Barker-Taha modificado, Agar Stadtman-Barker modificado y Agar TSI, LIA, CITRATO, SIM, Placas de Petri, Viales estériles, Ansa microbiológica, algodón, laminas portaobjetos., mechero de Bunsen.
Insumos Químicos : Tinción GRAM, Rojo de fenol., Azul de metileno, Aceite de cedro, Reactivo de Kovas, Etanol, Formiato de sodio, Agua destilada, Alcohol, Agua Oxigenada, Fosfato dipotasico, Fosfato de amonio, Molibdato de sodio, Sulfato de magnesio hepta hidratado, Cloruro de calcio, Cloruro de magnesio, Sulfato ferroso, Soluciones reguladoras de Ph 4.0 Y 7.0 para, NaOH,12 M, K2HPO4, Urea, carbón activado.
Equipos Portátiles
Ph tester checker , Marca : Hanna, modelo : HI98103, rango : 0 – 14, T°
trabajo : 0 – 50°C, precisión : ± 0.2.
Medidor de TDS y conductividad. TDS & EC, Marca : Pancellent, rango : 0 – 9999 ppm, conductividad : 0 – 9999 µS/cm.
Detector de la calidad de aire, marca : Allentian, modelo : DM-105 C, rango : HCHO : 0 – 1999 mg/m3, TVOC: 0 – 9.999 mg/m3, AQUÍ 1-6 level.
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Termómetro infrarrojo, marca : Masione, modelo GM 320, Rango Temperatura : -50°C – 280°C.
Equipos de Laboratorio
Cabina de flujo laminar : marca STERIL BIO BAN Compact, lámparas fluirescentes en carcasa empotradas, colocadas fuera de la zona estéril, alta capacidad de retensión de los prefiltros y filtros HEPAH 14, Temperatura de incubación 5-70 °C, energía de consumo 14 w, lámpara esterilizadora UV magnética y extraíble.
Microscopio: Nikon YS100, sensor de imagen CMOS x 2 megapixeles, imágnes de alta deifnición de 1920 x 1080 píxeceles a 30 fotogramas/segundo.
Autoclave: Yushuoda YSD-A03, capacidad 18-24L, temperatura máxima 128°C, material Stainless Steel 304.
Anaerobiertoff : jarra de dos litros de plástico con tapa y junta, capacidad hasta 10 placas petri
Centrifuga : analógica de 6 tubos x 20 ml, USAMED 800 D, temporizador de 0 – 30 minutos, velocidad máxima 4000 RPM.
Incubadora : Marca Binder, temperatura de rango de trabajo entre 6°C- 50°C, capacidad 170 a 267 l, rango de humedad 90-95% h.r.
Reactor : reactor cilíndrico fondo redondo con camisa y llave, temperatura de trabajo hasta 45°C capacidad 3 litros.
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2.3 Métodos y técnicas
2.3.1 Aislamiento de las bacterias metanogénicas.
Recolección y obtención de muestras.
Se realizó un muestreo con jeringas estériles de 60 mL, introduciéndolas aproximadamente a 50 cm en el contenido ruminal del ganado vacuno sacrificado en el Camal Municipal de Chiclayo. Esta muestra se mantuvo en condiciones anaerobias.
Obtención de los microorganismos anaerobios y aislamiento.
Inoculación de la muestra (contenido ruminal).
Se inocularon 500 uL del contenido ruminal en los medios líquidos BARKER-TAHA y STADTMAN-BARKER y se incubaron durante 15 días a 37°C en atmosfera de anaerobiosis (Jarra de Brewer). El Medio BARKER- TAHA contenia: Etanol 10 mL, Fosfato dipotasico 5g, Sulfato de amonio 0,3g, Sulfato de magnesio 7. Hidratado 0,1g, sulfato ferroso 7. Hidratado 0,02g, Autolisado de levadura 5 mL, Carbonato de calcio 100g y Agua destilada 1000 mL. El medio STADTMAN-BARKER contenía: Formiato de sodio 15g, Sulfato de amonio 1g, cloruro de calcio 0,01g, cloruro de magnesio 0,01g, cloruro férrico 0,02g, sulfato de magnesio 0,01g, molibdato de sodio 0,001g, fosfato dipotásico 2g, rojo de fenol 0,003g, azul de metileno 0,002g y tioglicolato de sodio 0,5g.
Luego de los 15 días se verifico el crecimiento bacteriano por TURBIDEZ en los medios líquidos mencionados, y se realizó la siembra en los medios solidos BARKER-TAHA y STADTMAN-BARKER, durante 15 días a 37°C en anaerobiosis.
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Después se verifico la presencia de bacilos, cocos, cocobacilos en el crecimiento obtenido en los medios líquidos y sólidos mediante coloración de Gram.
Luego, de los medios solidos se sembró en el Agar Tripticasa Soya (Agar cepa), obteniendo así cepas puras de bacterias anaerobias, las cuales se incubaron durante 5 días durante 37°C, observándose así crecimiento bacteriano.
Finalmente, a cada cepa bacteriana se le realizo pruebas bioquímicas para la identificación de especie bacteriana como: TSI (Lectura de carbohidratos, gas y producción de sulfuro de hidrogeno). LIA (Lectura de aminoácido, gas y producción de sulfuro de hidrogeno), CITRATO (Lectura de carbohidrato y aminoácidos), SIM (Lectura de sulfuro de hidrogeno, aminoácidos y movilidad), CATALASA (Enzima bacteriana) y AGAR ALMIDON (Producción de enzimas amilasas). Obteniendo así bacterias anaerobias metanogénicas como género: Methanococcus spp y Methanobacterium spp.
(González et al., 2008) y (Ortiz et al., 2015).
2.3.2 Metodología utilizada para análisis de la Vinaza Tabla 3.
Metodología de ensayos realizados para la vinaza Parametros Metodology/Equipment
Análisis de DBO SMEWW-APHA-AWWA-WEF Part 5210-B, 23nd Ed.2017. Biochemical Oxygen Demand (BOD). 5-Day BOD test
Análisis de DQO SMEWW-APHA-AWWA-WEF Part 5220-D, 23nd Ed.2017. Chemical Oxygen Demand (COD). Closed REFLUX, Colorimetric Method
Metales Totales ICP-OES:ISO11885.2007.Water Quality- Determination of selected elements by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES)
Cloruro SMEWW-APHA AWWA-WEF.PART 4500-CL-B, 23rd
Ed 2017. Chloride. Argentometric Method
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Fosfatos SMEWW-APHA-WEF Part 4500-P E, 23rd
Ed.2017.Phosphorus.Ascorbic Acid Method
Nitratos SMEWW-APHA-WEF Part 4500-NO3- E, 23rd Ed.2017.
Nitrogen (Nitrate). Cadmiun Reduction Method Nitrógeno
amoniacal
SMEWW-APHA-WEF Part 4500-NH3 D, 23rd Ed.2017.
Nitrogen (Ammonia). Ammonia-Selective Electrode Method
Sulfatos SMEWW-APHA-WEF Part 4500-SO4- E, 23rd Ed.2017.
Sulfate. Turbidimetric Method.
Sólidos sedimentables
SMEWW-APHA-WEF Part 2540 F, 23rd Ed.2017. Solids.
Settleable Solids
2.3.3. Metodología usada para el acondicionamiento y fermentación de vinaza Para el acondicionamiento de vinaza se midió el pH inicial de 4.4, el cual se mantuvo casi constante luego de la centrifugación a 1200 rpm y filtración con carbón activado a 4.5 de Ph, posteriormente se incrementó el pH a un nivel de 7.5 con NaOH 1M. Como nutrientes se adicionó kH2PO4 (fosfato monopotásico) y úrea para estabilizar la vinaza de acuerdo a la relación con respecto a la DQO 350:5:1 (DQO:N:P) para un adecuado desenvolvimiento de consorcio microbiano, de acuerdo a las proporciones indicadas se agregó 1214,2857 mg de urea, 1141,9751 mg de fosfato monopotásico.
Posteriormente se agregó las bacterias metanogénicas del género Methanococcus spp y Methanobacterium spp aisladas previamente en un reactor bacth, acondicionado a la temperatura de fermentación 27°C, 31°C, 35°C respectivamente. Este biorreactor fue acondicionado con sensores de temperatura, pH y sensor de metano acoplados a un sistema de medición en tiempo real de LabView.
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Figura 4
Diagrama del Proceso propuesto de Fermentación anaerobia
2.3.4 Análisis estadístico
Los resultados obtenidos se sometieron a análisis ANOVA de un solo factor, en el valor p para el ANOVA de DQO es menor de 0.05, esto demuestra que los valor de DQO difieren significativamente en las diferentes temperaturas estudiadas rechazándose la hipótesis nula y aceptando la Hipótesis alternativa. En cuando al valor de p para el ANOVA producción de metano es menor de 0.05, este valor indica que los valores obtenidos en cuanto a la producción de metano difieren significativamente en las diferentes. Estas mediciones se realizaron a intervalo de confianza del 95%. (Anexo 3).
Centrifugación
Acondicionamiento de Ph a 7.5
Fermentación anaerobia 27°C, 31°C y
35°C Filtración Vinaza
KH2PO4, Urea, NaOH
Consorcio microbiano de bacterias metanogénicas
Biogás
Residual de vinaza
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3. RESULTADOS Y DISCUSION 3.1 Caracterización de la vinaza
Tabla 4.
Parámetros fisicoquímicos obtenidos de la vinaza
Parámetros Resultados (ppm)
Demanda Bioquímica de oxígeno (DBO)
51 250
Demanda Química de Oxígeno 125 594
Fosfatos 361
Nitrógeno amoniacal 170
Sulfatos 5715
Sólidos sedimentables <0.1
Cloruro 10 581
Nitratos 0,08
Azufre 2087
Fósforo 161,4
Hierro 91,04
Manganeso 3,331
Potasio 12975
Sodio 1118
Fuente : Informe Ensayo N° 1-07771/19 CERPER
3.2 Evaluación de la biodegradabilidad de la vinaza.
El proceso microbiológico requiere de nutrientes principalmente carbono y nitrógeno, además de fósforo y azufre, según , para un adecuado desenvolvimiento microbiano DQO:N:P (350:5:1), es así para el DOQ de la vinaza analizada que es de 125594 mg/l , se agregó de KH2PO4 170,24 mg/l y de urea 1141, 97 mg/l, de estas cantidades depende la cantidad y calidad del biogas. Las vinazas contienen elevada cantidad de material orgánico (DBO) y alto BI (índice de biodegradabilidad). (Cruz-Salomón et al., 2017).
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Las características bioquímicas de la vinaza son importantes porque la vinaza es el sustrato para el crecimiento de las bacterias metanogénicas en sistema aeróbico. La caracterización de la vinaza se realizó de acuerdo a la Tabla 4 .
𝐵𝐼 =𝐷𝐵𝑂
𝐷𝑄𝑂
Resultando un BI de 0.4081, que es mayor a 0,3, lo que indica que el material orgánico es capaz de biodegradarse, si hubiera resultado menor a 0,3 indica que la vinaza no es apta para realizar digestión anaeróbica.
El valor de 0,4081 obtenido significa que el 40, 81% de la vinaza es materia orgánica biodegradable.
Otro factor a considerar es el Indice de Competitividad (CI) que se calculó según la fórmula : (Chen et al., 2014)
𝐶𝐼 = 𝐷𝑄𝑂
𝑆𝑂4−2
Resultando con CI de 21,976 mayor a 10 lo que significa que no hay competencia con las bacterias reductoras de sulfato, es decir no hay inhibición de las bacterias reductoras de sulfato en el proceso de metanogénesis.
3.3 Datos experimentales de la fermentación anaerobia a 27°C, 31°C y 35°C De acuerdo a la figura 5, las temperaturas a la que fue sometida la fermentación anaeróbica de vinazas fue medida con el sensor PT 100 Clase A, cuyo error según fabricante es de ± 1°C y según las temperaturas obtenidas durante la experimentación se ha observado una variación de temperatura mucho menor, las cuales se detallan a continuación 27 °C ± 0.223, 31°C±0.521 y 35°C ±0.197 y nos indica la estabilidad del sensor y de la temperatura en el proceso anaerobio.
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Figura 5.
Comportamiento de la temperatura a 27°C, 31°C y 35°C
En la figura 6 el pH de la vinaza sometida a digestión fue de 4.5 para lo cual fue necesaria neutralizarla con 1250 ml de NaOH 1 M debido a que el pH óptimo para una fermentación metanogénica de un consorcio microbiano está en el rango de 6.8 – 7.5. (de Barros, 2013) , este es un dato importante puesto que se ha trabajado con un consorcio microbiano aislado del rumen del ganado. Como se observa se presentan cambios a lo largo de todo el proceso, en el caso de las temperaturas 27°C y 31°C llega a hasta un valor final 6.28 y 6.11 respectivamente mientras que a 35°C el pH se mantuvo más estable, llegando a un pH final de 7.13.
26.70 27.70 28.70 29.70 30.70 31.70 32.70 33.70 34.70 35.70
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Temperatura °C
Días 27°C 31°C 35°C
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Figura 6.
Comportamiento del pH a 27°C, 31°C y 35°C
Figura 7.
Producción de metano a temperaturas 27°C, 31°C y 35°C
Como se observa en la figura 7 el estudio para determinar la temperatura se determinó estableciendo incrementos de 4°C escogiendo las temperaturas de 27°C, 31°C y 35°C, resultando esta última temperatura donde se produjo mayor cantidad de metano, similares resultados tuvo (Velichkova et al., 2017) quienes trabajaron a 20°, 30 y 35°C, siendo esta última en donde se obtuvo mayor producción de metano.
La figura 7 además muestra la producción de metano acumulado en un promedio de 17 días para las tres temperaturas evaluadas, se observa que existe una mayor
5.50 6.00 6.50 7.00 7.50
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
pH
Días
27°C 31°C 35°C
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Volumen acumulado de metano (ml)
Días 27°C 31°C 35°C
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producción de metano a la temperatura de 35°C llegando a obtener 15.35ml de CH4 lo que resultó en una reducción de DQO inicial de 125594 mg/l a 50464.87 como se muestra en la Figura 8, que representa una disminución del 59,819% a 35°C.
Según (Rintala, 1991) al tratar la vinaza diluida en un reactor UASB resultó que la remoción de DQO fue entre 50-60% en 10 días de un proceso mesofílico, Asimismo según (de Bazúa et al., 1991) en su investigación tratamiento biológico de degradación de vinazas, la temperatura de trabajo fue de 32°C en el reactor de lecho fluidizado, después de 23 días el valor de DQO removido llega al 70% pero con vinaza diluida en una razón 50:50. Los valores encontrados comparados con los valores obtenidos en esta investigación nos dan un indicador de que la degradación de DQO y la producción de metano mejoraron debido al tratamiento de la vinaza por centrifugación y filtrado previo a someterla al proceso de fermentación anaerobia como se muestra en la figura 9.
Figura 8.
Remoción de DQO a las temperaturas 27°C, 31°C y 35°C
49000 59000 69000 79000 89000 99000 109000 119000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
DQO final (ppm)
Días
27°C 31°C 35°C
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Figura 9.
Porcentaje de remoción de DQO a las temperaturas 27°C, 31°C y 35°C
Figura 10.
Producción de metano por día a las temperaturas 27°C, 31°C y 35°C
En la figura 10 se puede observar el comportamiento de la digestión anaerobia a diferentes temperaturas, teniendo la mayor producción de metano a una temperatura de 35°C en donde se obtuvo 15.35 ml de CH4, mientras que a 27°C y 31°C se obtuvo 4.14 y 11.65 ml de CH4 respectivamente.
0 10 20 30 40 50 60 70
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
% DQO removido
Días
27°C 31°C 35°C
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Producción de metano (ml)
Días
27°C 31°C 35°C
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3.4 Modelamiento Matemático
Se llegó a determinar que los parámetros cinéticos del proceso de digestión anaerobia se ajustan a la cinética de Gompertz como se observa en la figura 11.
Ecuación modificada de Gompertz.
(Donoso-Bravo et al., 2010)
Figura 11.
Representación de los datos experimentales y simulados a la cinética de Gompertz a las temperaturas 27°C, 31°C y 35°C.
-1.20 0.00 1.20 2.40 3.60 4.80 6.00 7.20 8.40 9.60 10.80 12.00 13.20 14.40 15.60 16.80
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Experimental 27°C Gompertz Experimental 31°C Gompertz 31°C Experimental 35°C Gompertz 35°C
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Tabla 5.
Parámetros cinéticos encontrados para el Modelo de Ecuación Modificada Gompertz.
Constantes del Modelo de Gompertz
27°C 31°C 35°C
P (ml/g) 4.094539 17.87859 24.01954
Rm (ml/gr.d) 2.528664 1.770722 2.800697
λ (d) 7.178637 0.00001 1.465656
R2 0.9945327 0.9844838 0.9947247
RMSE 0.0433426 0.1004091 0.0937672
Los resultados obtenidos de la biodigestión anaerobia a 27°C, 31°C y 35°C fueron cinéticamente evaluadas con la ecuación modificada de Gompertz, para lo cual se ingresó los datos experimentales a Polymath, y con la fórmula modificada de Gompertz se inició el cálculo con los valores iniciales que reporta (Donoso-Bravo et al., 2010), en donde se obtienen valores de R2 entre 0.98 y 0.99 para las tres temperaturas, luego se procedió a validar el modelo obteniéndose R2 entre 0.98y 0.99.
En la figura 11. están representadas las curvas de datos experimentales y ajustadas a la ecuación modificada de Gompertz, los parámetros cinéticos están indicados en la Tabla 5, donde se aprecia los valores P, Rm y λ, parámetros cinéticos de la ecuación modificada de Gompertz. Con los resultados obtenidos observados con R2 se puede afirmar que el comportamiento de producción de metano a partir de vinazas sigue el modelo de la ecuación modificada de Gompertz.
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4 CONCLUSIONES
Previo a los tratamientos de la vinaza, antes de someterla a fermentación anerobia fue importante verificar el grado de biodegradablidad de la vinaza, para lo cual se analizó el DQO y el DBO de la vinaza para encontrar el índice de biodegradabilidad (BI) obteniéndose un valor de 0.4081 que es mayor de 0.3, por lo cual la vinaza es apta para realizar la digestión anaeróbica.
Asimismo, se analizó en la vinaza el Indice de competitibilidad (CI) el cual fue de 21.976 valor que es mayor a 10, lo que indica que no hay competencia con las bacterias reductoras de sulfato, permitiendo que el proceso de metanogénesis no se vea afectado.
El tratamiento de vinaza previo a la fermentación anaeróbica como centrifugación y filtración se ha realizado con la finalidad de evitar la presencia de impurezas que puedan producir alteraciones mediante la fermentación anaerobia la cual se realizó utilizando el consorcio microbiano de bacterias metanogénicas aisladas del rumen del ganado, lo que demostró con respecto a otras investigaciones que sin dilución de vinaza en un proceso batch se pueden llegar a disminuir de manera considerable de 59,819% de DQO a la temperatura de 35°C, menor degradación se ha observado a 27°C y 31°C, además que es posible que mediante un proceso anaerobio pueda realizarse la disminución de DQO disminuyendo el impacto de las vinazas en el medio ambiente.
Durante el proceso de fermentación anaerobia, los datos experimentales demostraron que a la temperatura de 35°C no solo disminuye el DQO sino que además esta degradación permite la generación de Biogas (biometano), como alternativa de energía sostenible, la cual puede utilizarse en la misma empresa industrial alcoholera.
Además también se determinó los parámetros cinéticos mediante el uso de Software Polymath, los que corresponden a la ecuación modificada de Gompertz, validando los
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datos experimentales, de esta manera el proceso de fermentación anaeróbica cinéticamente responde a la ecuación modificada de Gompertz.
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5 RECOMENDACIONES Y/O PROPUESTAS
Debido al problema ambiental de aire, suelo y agua que se presenta en las diversas zonas de la Región Lambayeque originado por las destilerías de alcohol grandes y pequeñas (no solo las productoras de alcohol rectificado sino de aquellas microempresas que elaboran bebidas alcohólicas para consumo local), teniendo como factor de generación de vinaza por litro de alcohol etílico de 12:1. Se ha observado en los últimos años que estas descargas las realizan en drenes o ríos a temperaturas elevadas entre 80 – 120°C, o esta vinaza es utilizada para fertirrigación lo que produce la salinidad de suelos.
Como propuesta de la presente investigación se propone un tratamiento físico y digestión anaeróbica (consorcio microbiano de baterías metanogénicas Methanococcus spp y Methanobacterium spp) de vinaza mediante un sistema batch, sin dilución para disminuir el DQO y generar biogás (biometano) alternativa de energía limpia para ser utilizada en la misma empresa.
El tratamiento propuesto puede ser aplicado a un sistema continuo para evaluar la degradación de DQO y generación de metano y de esta manera se pueda diseñar un prototipo para utilizar las vinazas generadas con propósitos de generación de energía sostenible y disminuir el impacto ambiental, dando una solución dentro de las metas de economía circular del País.
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6 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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