DISEÑO E IMPLATACIÓN DE UN REACTOR ANAEROBIO UASB EN … · La segunda parte del proyecto es un estudio de los tipos de reactores presentes en el mercado. Existen dos grandes grupos

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

Grado en Ingeniería Electromecánica

Especialidad Mecánica

DISEÑO E IMPLATACIÓN DE UN REACTOR ANAEROBIO UASB EN LA INDUSTRÍA DE

LOS LÁCTEOS PARA SU USO COMO FUENTE DE ENERGÍA EN CO-GENERACIÓN

Autor: Borja Iglesias Jato

Directores: Carlos Morales Polo

María del Mar Cledera Castro

Madrid Agosto 2015

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

Grado en Ingeniería Electromecánica

Especialidad Mecánica

DISEÑO E IMPLATACIÓN DE UN REACTOR ANAEROBIO UASB EN LA INDUSTRÍA DE

LOS LÁCTEOS PARA SU USO COMO FUENTE DE ENERGÍA EN CO-GENERACIÓN

Autor: Borja Iglesias Jato

Directores: Carlos Morales Polo María del Mar Cledera Castro

Madrid Agosto 2015

DISEÑO E IMPLATACIÓN DE UN REACTOR ANAEROBIO UASB EN

LA INDUSTRÍA DE LOS LÁCTEOS PARA SU USO COMO FUENTE DE

ENERGÍA EN CO-GENERACIÓN

Autor: Iglesias Jato, Borja

Directores: Polo Morales, Carlos y Cledera Castro, María del Mar

Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontifica Comillas

El objetivo principal del proyecto es calcular cuánto biogás podremos generar a partir de

residuos producidos en una industria de derivados lácteos, para ello se calculará la capacidad

de metanizar que tiene cada residuo. Así pues, debemos, a partir de esa capacidad calculada

previamente, realizar un estudio aproximado de cuánto biogás podremos producir . Con esta

cantidad de biogás se podrá obtener la cantidad de energía posible de generar.

El proyecto consta de 3 partes diferenciadas: procesos productivos en la industria láctea,

estudios del tipo de reactor y parámetros de funcionamiento y diseño de un reactor anaerobio

UASB.

En la primera parte del proyecto se realiza un estudio de una empresa láctea completa. En

primera instancia, se valoran todos los procesos productivos de esta empresa y se realizan los

diagramas de flujo de cada proceso. De esta manera se puede observar cada uno de los pasos

que sufre la leche desde que es recibida hasta su envasado, tras haber sido transformada en

cualquiera de sus derivados. En esta introducción, no se realiza ningún cálculo, es un estudio

cualitativo de los procesos, en el cual únicamente se valora desde un punto de vista del estudio

de los tipos de residuos generados y los recursos consumidos. Se observará paso a paso que

tipo de energía se consume y qué tipo de residuo se genera. Todo esto proporcionará una

visión global de como se procesa la leche, desde un punto de vista energético y de generación

de residuos.

Tras realizar este estudio y aun en la primera parte del proyecto se analizarán a fondo los tipos

de contaminantes presentes en la industria láctea, basándose en los residuos observados

previamente. Como conclusión de este estudio inicial se observa que la industria de derivados

lácteos genera una gran cantidad de efluentes líquidos, siendo este el mayor residuo.

De esta manera se finaliza el estudio cuantitativo de los procesos. Por tanto, ahora se realizan

los cálculos de la cantidad de residuos generados y su composición. Puesto que el propósito

del proyecto es la generación de energía a partir de residuos orgánicos, este último punto de la

primera parte se centrará en los residuos orgánicos generados en la industria de derivados

lácteos. Como conclusión de esta primera parte, se observará que los efluentes líquidos son el

residuo más abundante en esta industria y que debido a su alta carga orgánica se trata de un

residuo con alta capacidad de ser metanizado, algo que será tratado en la última parte en

profundidad.

II

La segunda parte del proyecto es un estudio de los tipos de reactores presentes en el mercado.

Existen dos grandes grupos de reactores anaerobios, que son los que presentan mejores

características para la digestión de este tipo de residuos. En la última parte se explica con más

profundidad la razón de esta elección. Por tanto, en esta segunda parte lo que se llevará a cabo

es un estudio completo de cada uno de los tipos de reactores que serían propensos a ser

utilizados en la digestión de estos residuos. Basándose en los dos grandes tipos de reactores

presentes en el mercado, reactores de lecho fijo y reactores de crecimiento libre, se estudiarán

cada uno de los reactores de cada uno de los tipos. Realizándose una descripción detallada de

su funcionamiento y su diseño, así como de sus ventajas e inconvenientes.

Con este estudio, se logra valorar de una manera global los distintos tipos de reactores que

podrían ser utilizados para la digestión anaerobia de residuos. De esta manera en la última

parte se podrá realizar la elección del tipo de reactor que más se ajuste a las necesidades del

proyecto para que así el proceso sea lo más óptimo posible.

En la última parte del proyecto todos los estudios previos cobran sentido. Previamente se ha

analizado proceso a proceso la producción de derivados lácteos y se ha estudiado todos y cada

uno de los tipos de contaminantes. Además, se han realizado cálculos para hallar la

composición de las aguas residuales, observando su alta carga orgánica, y por lo tanto su

capacidad de ser transformada en biomasa para la cogeneración de energía. Por otro lado, en la

segunda parte se realizó el estudio de todos los tipos de reactores anaerobios así como la

explicación detallada del proceso de digestión anaerobia. Tras todo esto, es hora de utilizar los

estudios para la generación de energía.

En primer lugar se realizará una comparativa entre todos los tipos de reactores estudiados

previamente analizando las ventajas e inconvenientes de cada uno entre sí. De este modo se

podrá decidir cuál es el más adecuado para tratar los residuos disponibles. Este reactor será un

reactor anaerobio de flujo ascendente con manto de lodos, conocido como reactor anaerobio

UASB. Por tanto, una vez este reactor ha sido seleccionado, se procederá a su

dimensionamiento y diseño completo a partir del caudal y composición de las aguas residuales

generadas en la industria láctea.

Una vez el reactor ha sido diseñado se podrá calcular cuánto gas se puede generar al día y

realizar la conclusión del proyecto, es decir, calcular la cantidad de energía que se puede

extraer en este tipo de procesos.

Como conclusión del proyecto y siendo uno de los puntos más importantes, se realiza una

valoración económica. Esta valoración no es más que analizar si el proyecto es viable, y en

caso de que lo fuese, calcular cómo es de rentable. A partir de la cantidad de gas generado

anualmente se puede obtener cuanto se ahorrará anualmente con la presencia de este tipo de

reactor en una industria de derivados lácteos y comprobar si ese ahorro es mayor que el coste

de instalación y mantenimiento.

III

Desde un punto de vista general, se podría resumir el proyecto como un estudio a fondo de la

industria láctea analizando sus residuos generados y la energía necesaria para llevar a cabo

estos procesos. Este estudio se realiza con el fin de descubrir cuántos residuos orgánicos son

generados y si son susceptibles de ser metanizados. Una vez se han analizado las aguas

residuales, se lleva a cabo un estudio para comprobar que tipo de reactor sería óptimo

implantar para que estas aguas fuesen tratadas de la mejor manera, generando la máxima

cantidad de CH4. Tras la elección de este reactor, que es de tipo UASB, se concluye el

proyecto diseñándolo y realizando una valoración económica a partir de la energía disponible

para generar.

Para concluir, exponer que se trata de un proyecto de generación de energía a partir de una

fuente renovable como son los residuos orgánicos. Esta tecnología se encuentra en auge en

diversas partes del mundo, especialmente en América Latina donde gracias a una serie de

condiciones ambientales se hace posible su implantación y alto rendimiento. Durante los

próximos años se espera un crecimiento en el desarrollo e investigación de esta tecnología

gracias a su alto rendimiento, bajo coste y facilidad de implantación.

IV

DISEÑO E IMPLATACIÓN DE UN REACTOR ANAEROBIO UASB EN LA

INDUSTRÍA DE LOS LÁCTEOS PARA SU USO COMO FUENTE DE ENERGÍA EN

CO-GENERACIÓN

Autor: Iglesias Jato, Borja

Directores: Polo Morales, Carlos y Cledera Castro, María del Mar

Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontifica Comillas

The main purpose of the project is to calculate how much biogas can be generated from waste

produced in dairy industry. For that the capacity of methanation of each residue will be

calculated. Therefore, from that previously calculated capacity, we must make an approximate

study of how much biogas we can produce. With this amount of biogas we will get the amount

of energy that can be generated.

This project consists of three different parts: production processes in the dairy industry, studies

of the type of reactor and operating parameters and design of an anaerobic reactor UASB.

In the first part of the project a study of a complete dairy company is done. Firstly, all the

production processes of the company are valued and the flowcharts of each process are done.

Thereby, each step that the milk suffers will be seen, from the time that is received to its

packaging, after been transformed into one of its derivatives. In this introduction there isn’t

any calculation, it is a qualitative study of processes, which is assessed solely from the point of

view of studying the types of waste generated and resources consumed. Step by step, the kind

of energy consumed and the kind of waste generated will be observed. All this will provide an

overview of how the milk is processed, in terms of energy and waste generation.

After conducting this study and even in the first part of the project the types of contaminants of

the dairy industry will be analyzed in depth, based on the previously observed waste. The

conclusion of this initial study depicts that the dairy industry generates a large amount of

wastewater, which is the largest residue.

This way the quantitative study of the processes is performed. Thereby, the calculation of the

amount of waste generated and its composition are now made. Since the purpose of the project

is the generation of energy from organic waste, this last point of the first part will be focused

on the organic waste generated in the dairy industry. To conclude this first part, we will notice

that the wastewater is the most abundant residue in this industry and due to its high organic

load is a residue with high capacity for methanation, which will be deeply discussed in the last

part.

V

The second part of the project is a study of the types of reactors in the market. There are two

large groups of anaerobic reactors, which are those with the best features for digesting this

kind of residues. The last part explains more profoundly the reason for this choice. Therefore,

this second part will include a complete study of each of the types of reactors that would be

likely to be used in the digestion of these residues. Based on the two types of reactors in the

market, fixed bed reactors and free growth reactors, each of the reactors of each of the types

will be studied, making a detailed description of its operation and design, as well as of their

advantages and disadvantages.

This study allows us to globally appreciate the various types of reactors that could be used for

the anaerobic digestion of waste. Thus, in the last part we will be able to make the choice of

the type of reactor that best suits the needs of the project, so that the process is as optimal as

possible.

In the last part of the project all the previous studies make sense. Previously, the production of

dairy products has been analyzed and all types of contaminants have been studied.

Furthermore, calculations were made in order to find the composition of the wastewater,

observing its organic loading and, therefore, its ability to be transformed into biomass for

cogeneration. On the other hand, in the second part the study of all types of anaerobic reactors

was made, as well as a detailed explanation of the process of anaerobic digestion. After all, it

is time to use the studies for power generation.

First of all, we will make a comparison between all types of reactors previously studied

analyzing the advantages and disadvantages of each other. This way, we will be able to decide

which is best suited to treat the waste available. This reactor will be an anaerobic reactor with

upflow sludge blanket, known as UASB anaerobic reactor. Therefore, once the reactor has

been selected, we will proceed to complete its evaluation and design from the flow rate and

composition of wastewater generated in the dairy industry.

Once the reactor has been designed, we will be able to calculate how much gas can be daily

generated and make the conclusion of the project, i.e., calculate the amount of energy that can

be extracted in such processes.

As a conclusion of the project and being one of the most important points, an economic

evaluation is performed. This assessment is merely to examine whether the project is feasible,

and if it were, calculate how profitable. From the amount of gas annually generated we will

obtain how much we will annually save with the presence of this type of reactor in a dairy

industry and we will be able to check if the savings are greater than the cost of installation and

maintenance.

VI

From a general point of view, the project can be summarized as a thorough study of the dairy

industry, analyzing its waste generated and the energy required to carry out these processes.

This study is conducted in order to find how much organic waste is generated and whether it is

likely to methanation. Once we have analyzed the wastewater, a study is carried out in order to

prove what type of reactor would be optimal to implement so these waters would be treated in

the best way, generating the maximum amount of CH4. After the choice of the reactor, which

is of type UASB, the project is concluded by designing and conducting an economic

assessment from the energy available to generate.

In conclusion, it must be said that this is a project to generate energy from a renewable source

such as organic waste. This technology is booming around the world, especially in Latin

America where, thanks to a series of environmental conditions, its implementation and its high

performance is possible. Over the next few years it is expected an increase in the research and

the development of this technology due to its high performance, low cost and ease of

implementation.

ÍNDICE

1 CAPÍTULO I: Industria Láctea. Procesos Productivos. ....................................................... 2

1.1 Procesos de elaboración de productos lácteos............................................................... 2

1.1.1 Leche de consumo ................................................................................................. 3

1.1.1.1 Diagrama de flujo ........................................................................................... 4

1.1.1.2 Descripción de las operaciones y procesos..................................................... 6

1.1.1.3 Tipos de tratamiento térmico .......................................................................... 9

1.1.2 Leche en polvo ..................................................................................................... 10

1.1.2.1 Diagrama de flujo ......................................................................................... 10

1.1.2.2 Descripción de las operaciones y procesos................................................... 11

1.1.3 Leches concentradas ............................................................................................ 13

1.1.3.1 Diagrama de Flujo ........................................................................................ 14


1.1.3.2.1 Concentración ....................................................................................................... 15

1.1.3.2.2 Tanque de Espera ................................................................................................. 16

1.1.3.2.3 Inoculación ............................................................................................................ 16

1.1.4 Yogures y Leches Fermentadas ........................................................................... 17



1.1.4.2.1 Incubación ............................................................................................................. 19

1.1.4.2.2 Refrigeración ......................................................................................................... 20

1.1.4.2.3 Envasado ............................................................................................................... 20

1.1.5 Queso Fresco y Madurado ................................................................................... 21


1.1.5.2 Descripción de las operaciones..................................................................... 24

1.1.5.2.1 Coagulación........................................................................................................... 24

1.1.5.2.2 Corte y Desuerado ................................................................................................ 25

1.1.5.2.3 Moldeo y prensado ............................................................................................... 27

1.1.5.2.4 Salado.................................................................................................................... 28

1.1.6 Nata ...................................................................................................................... 31


1.1.6.2 Descripción de las operaciones..................................................................... 33

1.1.6.2.1 Tratamiento térmico ............................................................................................. 33

1.1.6.2.2 Envasado y envasado aséptico ............................................................................. 33

1.1.6.2.3 Almacenamiento ................................................................................................... 33

II

1.1.7 Mantequilla .......................................................................................................... 34


1.1.7.2 Descripción de los procesos ......................................................................... 36

1.1.7.2.1 Desodorización ..................................................................................................... 36

1.1.7.2.2 Pasterización ......................................................................................................... 36

1.1.7.2.3 Maduración de la nata .......................................................................................... 36

1.1.7.2.4 Batido-Amasado ................................................................................................... 37

2 CAPÍTULO II: Contaminación en la Industria Láctea. Valores de emisión y Consumo. . 38

2.1 Contaminación Atmosférica ........................................................................................ 38

2.2 Residuos Sólidos ......................................................................................................... 39

2.3 Consumo de Agua ....................................................................................................... 39

2.4 Consumo de energía .................................................................................................... 40

2.5 Efluentes Líquidos ...................................................................................................... 40

3 CAPÍTULO III: Residuos Orgánicos en la Industria Láctea. ............................................. 42

3.1 Leche de Consumo ...................................................................................................... 42

3.1.1 Recepción de la leche .......................................................................................... 42

3.1.2 Filtrado y Clarificación ........................................................................................ 44

3.1.3 Desnatado ............................................................................................................. 45

3.1.4 Tratamientos térmicos .......................................................................................... 46

3.1.5 Composición química de los residuos ................................................................. 46

3.2 Yogures ....................................................................................................................... 48

3.2.1 Incubación ............................................................................................................ 48

3.2.2 Envasado .............................................................................................................. 49

3.2.3 Composición de las aguas residuales ................................................................... 50

3.3 Quesos ......................................................................................................................... 51

3.3.1 Corte y Desuerado ............................................................................................... 52

3.3.2 Moldeo y Prensado .............................................................................................. 54

3.3.3 Salado ................................................................................................................... 54

3.3.4 Composición de las aguas residuales ................................................................... 55

3.4 Nata y Mantequilla ...................................................................................................... 56

3.4.1 Batido y Amasado ................................................................................................ 57

3.5 Limpieza de Equipos ................................................................................................... 58

3.6 Datos Residuales ......................................................................................................... 61

4 CAPÍTULO IV: Digestión Anaerobia. Procesos y Reactores. ........................................... 63

4.1 Digestión anaerobia de residuos. ................................................................................. 63

4.1.1 Comparación con tratamientos aerobios .............................................................. 64

III

4.1.2 Etapas de la digestión anaerobia .......................................................................... 64

4.1.2.1 Hidrólisis ...................................................................................................... 65

4.1.2.2 Acidogénesis ................................................................................................. 65

4.1.2.3 Acetogénesis ................................................................................................. 66

4.1.2.4 Metanogénesis .............................................................................................. 66

4.1.3 Requisitos Ambientales ....................................................................................... 67

4.2 Reactores Anaerobios .................................................................................................. 68

4.2.1 Reactores de lecho fijo ......................................................................................... 69

4.2.1.1 Filtros Anaerobios (AF) ............................................................................... 70

4.2.1.2 Biodiscos (ARBC) ........................................................................................ 71

4.2.1.3 Reactores de contacto con soporte (CASBER) ............................................ 72

4.2.1.4 Reactores de lecho fluido y lecho expandido (FB/EB) ................................ 73

4.2.2 Reactores de crecimiento libre o suspendido. ...................................................... 75

4.2.2.1 Reactor de mezcla completa (CSTR) ........................................................... 75

4.2.2.2 Reactor de contacto (ACP) ........................................................................... 77

4.2.2.3 Reactor de flujo ascendente con lecho/manto de lodos (UASB).................. 79

4.2.2.4 Reactor anaerobio por lotes en serie (ASBR) ............................................... 84

4.2.2.5 Reactor anaerobio con deflectores (ABR) .................................................... 86

5 CAPÍTULO V: Comparativa de procesos y reactores. Elección reactor. .......................... 88

5.1 Digestión Anaerobia .................................................................................................... 88

5.1.1 Tratamiento anaerobio frente a tratamiento aerobio ............................................ 88

5.1.2 Funcionamiento del tratamiento anaerobio .......................................................... 90

5.2 Elección del tipo de reactor ......................................................................................... 93

5.2.1 Características del efluente .................................................................................. 93

5.2.2 Comparativa tipo de reactores anaerobios ........................................................... 95

5.2.2.1 Comparativa UASB vs CSTR ...................................................................... 97

5.2.2.2 Comparativa UASB vs ASBR ...................................................................... 98

5.2.2.3 UASB vs ABR .............................................................................................. 99

5.2.3 Conclusión ........................................................................................................... 99

6 CAPÍTULO VI: Reactor UASB. Diseño y Cálculos. ....................................................... 100

6.1 Funcionamiento completo de un reactor UASB ....................................................... 100

6.1.1 Diagrama de flujo del sistema anaerobio UASB frente al sistema aerobio

tradicional. ....................................................................................................................... 101

6.2 Parámetros de funcionamiento y diseño ................................................................... 102

6.2.1 Características de los reactores UASB .............................................................. 102

6.2.2 Principios de funcionamiento del reactor UASB ............................................... 103

IV

6.3 Datos experimentales ................................................................................................ 104

6.4 Diseño del reactor UASB .......................................................................................... 111

6.4.1 Datos diseño ....................................................................................................... 111

6.4.1.1 Caudal ......................................................................................................... 111

6.4.1.2 Concentración ............................................................................................. 111

6.4.1.3 COV: Carga Orgánica Volumétrica ........................................................... 111

6.4.1.4 CHV: Carga Hidráulica Volumétrica ......................................................... 111

6.4.2 Cálculo del volumen de reactor ......................................................................... 112

6.4.3 Cálculo de la velocidad superficial del flujo...................................................... 112

6.4.3.1 Cálculo del THRmedio .................................................................................. 113

6.4.4 Cálculo de la altura del reactor .......................................................................... 113

6.4.5 Cálculo área de la base del reactor ..................................................................... 113

6.5 Descripción gráfica del tanque del reactor ................................................................ 114

6.6 Piezas complementarias ............................................................................................ 114

6.6.1 Cámara de sedimentación .................................................................................. 114

6.7 Generación de CH4 y rendimientos del reactor ......................................................... 115

6.7.1 Cálculo de CH4 generado ................................................................................... 115

6.8 Eficiencia ................................................................................................................... 116

7 CAPÍTULO VII: Valoración Económica ......................................................................... 117

8 CAPÍTULO VIII: CONCLUSIÓN ................................................................................... 120

V

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Diagrama de productos lácteos. ................................................................................... 2 Figura 2: Diagrama de la distribución de leche en España. ......................................................... 3

Figura 3: Diagrama de flujo de elaboración de leche de consumo y aromatizada. ..................... 4 Figura 4: Diagrama de flujo de la fabricación de la leche de consumo y sus residuos. .............. 5 Figura 5: Diagrama de flujo de la fabricación de la leche en polvo y sus residuos. .................. 10 Figura 6: Diagrama de un evaporador de película descendente (FF). ....................................... 11 Figura 7: Diagrama de flujo de la fabricación de la leche concentrada, condensada y evaporada

y sus residuos. ............................................................................................................................ 14 Figura 8: Diagrama de flujo de la fabricación del yogur y sus residuos.................................... 18

Figura 9: Diagrama de flujo de la fabricación de queso maduro y sus residuos. ...................... 22 Figura 10: Diagrama de flujo de la fabricación de queso fresco y sus residuos. ....................... 23 Figura 11: Diagrama de flujo de la fabricación de nata y sus residuos. ................................... 32 Figura 12: Diagrama de flujo de la fabricación de la mantequilla y sus residuos. .................... 35 Figura 13: Recepción y almacenamiento de la leche cruda. ...................................................... 42

Figura 14: Filtrado y Clarificación de la leche. ......................................................................... 44 Figura 15: Desnatado y Normalización de la leche. .................................................................. 45 Figura 16: Fermentación en los envases. ................................................................................... 48 Figura 17: Fermentación discontinua en tanques. ..................................................................... 49

Figura 18: Etapa de Envasado.................................................................................................... 49 Figura 19: Proceso productivo de la elaboración de queso. ...................................................... 51

Figura 20: Proceso de corte y desuerado. .................................................................................. 52 Figura 21: Moldeo y Prensado de la cuajada de leche. .............................................................. 54

Figura 22: Proceso de salado de los quesos. .............................................................................. 54 Figura 23: Diagrama de flujo de la conversión de nata en mantequilla..................................... 56

Figura 24: Batido y amasado de la nata. .................................................................................... 57 Figura 25: Recursos consumidos y residuos generados en la limpieza y desinfección de

equipos. ...................................................................................................................................... 59

Figura 26: DOQ de diferentes productos lácteos y detergentes. ................................................ 60 Figura 27: Proceso de digestión anaerobia y de generación de calor y electricidad a partir de

residuos orgánicos. ..................................................................................................................... 63

Figura 28: Etapas de la digestión anaerobia. ............................................................................. 64

Figura 29: Proceso de Hidrólisis. ............................................................................................... 65

Figura 30: Proceso de Acidogénesis. ......................................................................................... 65 Figura 31: Proceso de Acetogénesis. ......................................................................................... 66

Figura 32: Proceso de Metanogénesis. ...................................................................................... 66 Figura 33: Reactor genérico de lecho fijo. ................................................................................. 69 Figura 34: Filtro Anaerobio (AF). ............................................................................................. 70

Figura 35: Biodiscos (ARBC) .................................................................................................... 71 Figura 36: Reactor de contacto con soporte. .............................................................................. 72

.Figura 37: Reactor genérico de lecho fluido y lecho expandido. ............................................. 74 Figura 38: Reactor de mezcla completa (CSTR). ...................................................................... 76 Figura 39: Esquema básico de un reactor de flujo ascendente UASB. ...................................... 80

Figura 40: Esquema básico de un reactor de flujo ascendente UASB. ...................................... 83 Figura 41: Etapas de operación de un reactor tipo ASBR. ........................................................ 84

Figura 42: Esquema de un reactor anaerobio con deflectores (ABR). ...................................... 86 Figura 43: Proceso de degradación anaerobia. .......................................................................... 90 Figura 44: Balance Anaerobio de la materia orgánica. .............................................................. 90

VI

Figura 45: Etapas de la digestión anaerobia. ............................................................................. 92 Figura 46: Balance de DQO en el proceso de degradación. ...................................................... 94 Figura 47: Funcionamiento reactor UASB. ............................................................................. 100 Figura 48: Diagrama de flujo del sistema aerobio tradicional de lodos activados. ................. 101

Figura 49: Diagrama de flujo del sistema anaerobio U.A.S.B. ............................................... 101 Figura 50: Esquema de un reactor anaerobio UASB. .............................................................. 102 Figura 51: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el

lunes. ........................................................................................................................................ 104 Figura 52: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el

martes. ...................................................................................................................................... 105 Figura 53: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el

miércoles. ................................................................................................................................. 106 Figura 54: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el

jueves. ...................................................................................................................................... 107 Figura 55: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el

viernes. ..................................................................................................................................... 108

Figura 56: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas de media.

................................................................................................................................................. 109 Figura 57: Representación gráfica de la forma del reactor UASB. ......................................... 114

VII

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Propiedades medias de algunos combustibles. ............................................................ 38 Tabla 2: Principales residuos encontrados en una empresa láctea. ............................................ 39

Tabla 3: Composición fisio-química de la leche expresada en % en peso. ............................... 43 Tabla 4: Composición fisio-química de la leche natural. .......................................................... 43 Tabla 5: Composición química de los lodos. ............................................................................. 45 Tabla 6: Composición de las aguas residuales generadas en el proceso de elaboración de leche

de consumo. ............................................................................................................................... 46

Tabla 7: Concentración de las aguas residuales de una central lechera tipo. ............................ 47 Tabla 8: Aguas residuales tras la elaboración de yogur. ............................................................ 50

Tabla 9: Composición media del lactosuero procedente de la leche. ........................................ 53 Tabla 10: Composición del lactosuero ácido y dulce. ............................................................... 53 Tabla 11: Aguas residuales tras la producción de quesos. ......................................................... 55 Tabla 12: Composición química de la mazada. ......................................................................... 57 Tabla 13: Volumen de aguas residuales en función del proceso productivo. ............................ 61

Tabla 14: Valoración cuantitativa del vertido de aguas residuales en la industria láctea. ......... 61 Tabla 15: Composición de las aguas residuales de la industria láctea. ...................................... 62 Tabla 16: Ventajas e Inconvenientes del tratamiento anaerobio. .............................................. 88 Tabla 17: Comparativa sistema anaerobio vs sistema aerobio. ................................................. 89

Tabla 18: Composición de las aguas residuales de la industria láctea. ...................................... 93 Tabla 19: Comparativa de las características operacionales de los distintos tipos de reactores.

................................................................................................................................................... 97 Tabla 20: Tablas de caudales para el diseño. ........................................................................... 110

Tabla 21: Composición de las aguas residuales de la industria láctea. .................................... 110 Tabla 22: Valores de velocidad superficial en función del caudal para líquidos domésticos.. 112

1

MEMORIA DE PROYECTO

2

A pesar de la diversidad de productos elaborados por las plantas de tratamiento de leche, la

contaminación ambiental producida por este tipo de industrias está originada,

fundamentalmente por vertidos líquidos, siendo la provocada por sólidos, gases o ruidos de

mucha menor relevancia.

Antes de profundizar, sería conveniente realizar una distinción entre los distintos tipos de

efectos medioambientales de las industrias del sector, pudiendo centrarnos en cinco grandes

grupos: contaminación atmosférica, residuos sólidos, consumo de agua, consumo de energía, y

por último, efluentes líquidos, siendo este grupo el más importante. Los efluentes líquidos

surgen de la gran cantidad de aguas residuales que se generan en esta industria (entre 4-10

litros de agua residual por litro de leche), además, el tipo de residuo dependerá del producto

final buscado, bien sea leche, nata, queso, etc.

1 CAPÍTULO I: Industria Láctea. Procesos Productivos.

1.1 Procesos de elaboración de productos lácteos.

El procesado de la leche da lugar a una gran variedad de productos derivados: leche de

consumo, leche en polvo, leche concentrada, yogur, quesos, nata, mantequilla, postres

lácteos y helados, principalmente. Su elaboración consta de varias etapas en las cuales

aparecen residuos diversos.

Figura 1: Diagrama de productos lácteos.

Fuente: Elaboración propia.

PRODUCTOS LÁCTEOS

Leche de Consumo Derivados Lácteos

Yogur Queso Mantequilla Nata UHT Esterilizada Pasterizada

3

1.1.1 Leche de consumo

La gran facilidad de la leche para sufrir un rápido deterioro y contaminaciones de todo tipo

hace necesario someter la leche a un determinado tratamiento que permita aumentar el

tiempo de conservación y eliminar posibles contaminaciones antes de ser consumida.

Dependiendo de las características del tratamiento térmico al que se somete a la leche,

obtendremos básicamente tres tipos de producto final: leche pasterizada, leche esterilizada

y leche UHT.

Descripción general del proceso productivo Una vez recibida la leche se almacena temporalmente en tanques refrigerados hasta su

entrada en proceso. A continuación, la leche se filtra para eliminar los sólidos extraños

visibles y se clarifica para eliminar la suciedad residual. En esta etapa inicial puede sufrir

un proceso de acondicionado térmico o termización para impedir el crecimiento bacteriano

y reacciones químicas enzimáticas. Posteriormente, se procede a un desnatado para separar

la nata de la leche y se realiza la normalización o estandarización para ajustar el contenido

graso final de la leche. Por último, se procede al tratamiento térmico de estabilización

microbiológica, que en función de las condiciones de tiempo-temperatura podrá

considerarse como pasterización, esterilización o tratamiento UHT. Normalmente, el

tratamiento térmico y la homogeneización se realizan de forma simultánea; tras el

tratamiento térmico, la leche se almacena en condiciones adecuadas de temperatura en

función del tipo de producto final.

La leche pasterizada debe mantenerse refrigerada, la leche UHT se enfría hasta su

temperatura de envasado y la leche esterilizada se mantiene caliente hasta su envasado

final.

Finalmente, la leche es envasada y acondicionada para su distribución comercial, siendo la

técnica de envasado apropiada al tipo de leche tratada. La leche UHT se envasa en

condiciones asépticas, la leche pasterizada se envasa y se almacena en cámaras de

refrigeración y la leche esterilizada se envasa y se hace el tratamiento térmico final una vez

envasada.

De todas ellas, la leche UHT es la que supone la mayor parte de la producción de leche de

consumo. Presenta el 86% de la producción total de leche de consumo.

Figura 2: Diagrama de la distribución de leche en España.

Fuente: [Alimarket]

4

1.1.1.1 Diagrama de flujo

Figura 3: Diagrama de flujo de elaboración de leche de consumo y aromatizada.

Fuente: [Guía MTD en España Sector Lácteo]

En cada una de estas etapas que forman el proceso productivo de la leche de consumo

aparecen diferentes residuos, tal y como aparece en el siguiente esquema, en el que se muestra

el proceso productivo de la leche de consumo antes de realizar el tratamiento térmico,

vinculado al consumo de energía así como a la generación de residuos.

5

Figura 4: Diagrama de flujo de la fabricación de la leche de consumo y sus residuos.

Fuente: [Elaboración propia]

6

1.1.1.2 Descripción de las operaciones y procesos

Recepción

La leche llega hasta la planta de tratamiento en camiones cisterna, tanques o en

cántaras. Tras la llegada de la leche a la central, se determina la cantidad recibida y

su calidad tanto física-química como higiénica.

Tras la recepción, la leche se almacena en condiciones refrigeradas hasta su entrada

en línea. Durante esta etapa puede detectarse leche que no cumpla con los

requisitos de calidad exigidos, por lo que puede dar lugar a un rechazo de la leche

recibida.

Filtrado

Antes de someter la leche al proceso de termización, se procede a eliminar las

partículas orgánicas e inorgánicas de suciedad que pueda contener la leche tras el

ordeño o el transporte.

Se puede realizar mediante filtros incluidos en las conducciones que llevan la leche

a los tanques de almacenamiento y haciéndola pasar por centrífugas que separen las

impurezas con un peso específico superior al de la leche. Normalmente estos filtos

son de acero inoxidable de diámetro de paso de 0.2 a 1mm, para eliminar así las

partículas más groseras.

En esta operación se generan los llamados lodos de clarificación, que son residuos

semipastosos formados por partículas de suciedad, células somáticas, gérmenes y

por otras sustancias principalmente de tipo proteico.

Desaireado

Esta operación es necesaria debido al alto porcentaje de aire que contiene la leche

cruda, y al aumento de éste durante el manejo de la leche en la instalación (puede

llegar al 10% del volumen total). Si no se elimina el aire se pueden producir

incrustaciones en equipos, falta de precisión en el desnatado, en la

homogeneización, etc.

La desaireación se realiza en primer lugar en un tanque a presión atmosférica y

posteriormente, antes de la esterilización, con equipos a vacío.

El tratamiento a vacío consigue eliminar tanto el aire disperso como el disuelto. La

leche, previamente calentada se introduce en la cámara de expansión, donde se ha

creado un vacío equivalente a un punto de ebullición de unos 7-8 ºC menos que la

temperatura de la leche, de tal forma que la caída de presión provoque la salida del

aire. Los vapores pasan a un condensador, donde la leche condensada vuelve con el

resto y los gases son separados.

En esta etapa se produce un consumo de energía eléctrica.

7

Centrífuga Clarificadora

Tras el proceso de desaireado se procede a un segundo proceso de filtrado, también

conocido como clarificación. Tiene por objeto la eliminación de partículas orgánicas e

inorgánicas y aglomerados de proteínas. Este tipo de equipos se basa en la separación

por centrifugación, que permite separar partículas de hasta 4-5µm de diámetro.

Las clarificadoras de leche están formadas por un cuerpo cónico relleno de un cierto

número de aletas con una inclinación determinada. La leche entra por la parte exterior de

las aletas, y al subir entre ellas las partículas de mayor densidad (impurezas) van yendo

hacia abajo por la fuerza centrífuga. Existen dos tipos de clarificadoras: las

autolimpiables y las que deben desmontarse para su limpieza. En cualquier caso, ambas

producen un consumo de energía eléctrica.

Termización

La etapa de termización consiste en el calentamiento de la leche cruda, durante 10-20

segundos como mínimo, a una temperatura comprendida entre 62°C y 65°C. Esta etapa

tiene como objetivo higienizar la leche recibida y acondicionarla microbiológica y

enzimáticamente (se inactiva el crecimiento microbiano, se procede a la inactivación

de enzimas que puedan dar lugar a reacciones químicas no deseadas).

Después de la termización se requiere una refrigeración inmediata a una temperatura de

unos 4ºC y conservarse después, en su caso, a un máximo de 8ºC.

Para este proceso se consume energía térmica.

Desnatado

El desnatado es la separación de la grasa de la leche para la obtención de leche parcial o

completamente desnatada. En esta operación se obtiene también nata con un contenido

graso aproximado del 40%.

Para esta operación se emplean desnatadoras centrífugas. Algunas centrífugas pueden

realizar simultáneamente la clarificación o higienización y el desnatado de la leche, por

lo que su utilización está muy extendida. La temperatura óptima para el proceso de

desnatado es de 50-60ºC. Estas centrífugas pueden contar además con un equipo de

estandarización del contenido de grasa de la leche.

El proceso de separación de la nata por centrifugación genera unos lodos o fangos (esos

lodos normalmente están conectados con la red de aguas residuales de las plantas) con

un contenido menor de componentes sanguíneos y bacterias que en el caso de la

filtración inicial de la leche cruda. Las centrífugas con sistemas de autolimpieza

eliminan estos lodos automáticamente de forma periódica y sin interrupción del proceso

de desnatado.

Estandarización

8

La estandarización del contenido graso de la leche consiste en ajustar el contenido de

grasa o añadir nata a la leche desnatada en distintas proporciones en función del tipo de

leche y/o producto lácteo que se quiera obtener.

La nata sobrante de esta etapa se destina a la elaboración de otros productos como nata

para consumo o mantequilla.

Para esto se emplean equipos de normalización automáticos que permiten realizar una

mezcla continua dentro del circuito de corriente del líquido en función del contenido

graso de la nata. Se instalan inmediatamente después de la desnatadora centrífuga y

únicamente conducen a la leche desnatada el caudal parcial del peso de nata necesario

para ajustar el contenido graso de la leche. La nata sobrante se desvía a otro circuito.

Homogeneización

Una vez que se ha ajustado el contenido graso, se procede a su homogeneización para

reducir y uniformizar el tamaño de los glóbulos grasos entre 0,5-1 µm. Con esto se evita

la separación de la nata, se favorecen las características organolépticas de la leche de

consumo y se facilita el procesado de otros productos lácteos.

Esta etapa se puede realizar de forma simultánea, antes o después del tratamiento

térmico de la leche. Como la homogeneización reduce la estabilidad de las proteínas

frente al calor, cuando se va a exponer la leche a altas temperaturas esta operación se

realiza tras el tratamiento térmico.

El efecto homogeneizador se consigue haciendo pasar la leche a elevada presión a través

de estrechas hendiduras cuyas medidas sean menores que las de los glóbulos grasos.

Cuanto más bajo sea el contenido de grasa y cuanta más alta sean la temperatura y la

presión, mayor será el grado de homogeneización. La temperatura óptima oscila entre

los 60-80º habitual es utilizar equipos homogeneizadores que están formados por una

bomba de alta presión con varios émbolos y cabezales, en cuyo interior se encuentran las

toberas de homogeneización.

Para la realización de este proceso se consumirá tanto energía eléctrica como térmica.

Tratamiento Térmico

El propósito del tratamiento térmico es la eliminación de los microorganismos que

contenga la leche y adicionalmente inactivar en mayor o menor grado los enzimas

lácteos presentes.

En función de la calidad de la leche cruda, del efecto germicida que se pretende alcanzar

(reducción o eliminación total de gérmenes), qué tipo de producto final se busca (leche

de consumo, fabricación de queso u otros productos lácteos) y lo que especifica la

legislación para cada caso, existen varios tipos de tratamiento térmico que se

distinguen entre sí por las características del binomio temperatura-tiempo utilizado en

ese tratamiento.

Según esto, se realizan principalmente tres tipos de tratamiento: pasteurización, UHT y

esterilización.

9

1.1.1.3 Tipos de tratamiento térmico

El propósito del tratamiento térmico es la eliminación de los microorganismos que contenga

la leche y adicionalmente inactivar en mayor o menor grado los enzimas lácteos presentes.

En función de la calidad de la leche cruda, del efecto germicida que se pretende alcanzar

(reducción o eliminación total de gérmenes), qué tipo de producto final se busca (leche de

consumo, fabricación de queso u otros productos lácteos) y lo que especifica la legislación

para cada caso, existen varios tipos de tratamiento térmico que se distinguen entre sí

por las características del binomio temperatura-tiempo utilizado en ese tratamiento.

Según esto, se realizan principalmente tres tipos de tratamiento: pasteurización, UHT y

esterilización.

Pasteurización

Se entiende por leche pasteurizada la leche natural, entera, desnatada o semidesnatada,

sometida a un proceso tecnológico adecuado que asegure la destrucción de los gérmenes

patógenos y la casi totalidad de la flora banal, sin modificación sensible de su naturaleza

físico-química, características biológicas y cualidades nutritivas.

La legislación española considera que la leche pasterizada debe haberse obtenido

mediante un tratamiento (calentamiento uniforme de la leche en flujo continuo) que

utilice una temperatura elevada durante un corto lapso de tiempo (como mínimo 71,7°C

durante quince segundos) o un procedimiento de pasteurización que utilice diferentes

combinaciones de tiempo y temperatura para conseguir un efecto equivalente.

A nivel industrial, los valores tiempo-temperatura oscilan entre 15-30 segundos a 72-85

ºC.

Al ser un tratamiento que no persigue la destrucción de todos los gérmenes de la leche,

debe enfriarse inmediatamente y alcanzar lo antes posible una temperatura que no

exceda de 4-6°C.

El tratamiento UHT

La ultrapasterización o esterilización a temperaturas ultra-altas se basa en la aplicación

de una temperatura muy elevada (135-150ºC) durante un corto lapso de tiempo (por lo

menos, dos segundos) con el fin de destruir todos los microorganismos y sus

formas de resistencia (esporas), y posteriormente realizar un envasado aséptico en un

recipiente adecuado, de modo que se reduzcan a un mínimo las transformaciones

químicas, físicas y organolépticas.

Esterilización

Se entiende por leche esterilizada, la leche natural, entera, desnatada o semidesnatada,

sometida después de su envasado a un proceso de calentamiento en condiciones tales de

temperatura y tiempo que asegure la destrucción de los microorganismos y la inactividad

de sus formas de resistencia. Se realiza normalmente a temperaturas de 100-120ºC

durante tiempos de hasta 20 minutos.

10

1.1.2 Leche en polvo

La leche en polvo o leche deshidratada se obtiene mediante la deshidratación de la leche

natural concentrada o de la total o parcialmente desnatada, de la nata o de una mezcla de

estos productos, higienizada en estado líquido antes o durante el proceso de fabricación, y

cuyo contenido en agua es igual o inferior a un 5% en peso del producto final.

Descripción general del proceso productivo

Las fases de producción de la leche en polvo se subdividen en: selección y tratamientos

previos de la leche, al igual que la leche de consumo (recepción, almacenamiento,

termización, desnatado y almacenamiento previo a su concentración), obtención del

concentrado, deshidratación y envasado.


Figura 5: Diagrama de flujo de la fabricación de la leche en polvo y sus residuos.


Residuos

Orgánicos

11

1.1.2.2 Descripción de las operaciones y procesos.

Concentración

En el proceso de concentración de la leche se ha de incrementar lo más posible la

proporción de extracto seco del producto a concentrar, ya que el proceso de

concentración por evaporación es hasta tres veces más eficiente desde el punto de vista

térmico que el proceso final de desecación por aire.

El concentrado se deshidrata hasta que se llega casi al límite de fluidez, es decir, hasta

una proporción de extracto seco del 40-50%.

La relación de concentración depende del procedimiento de desecación a que se somete

el producto.

Para la obtención del concentrado se utilizan en la mayoría de los casos evaporadores de

película descendente de funcionamiento en múltiples efectos o evaporadores de

circulación natural, también de múltiples efectos.

Figura 6: Diagrama de un evaporador de película descendente (FF).

Fuente: [ecoplanning.fi]

12

Deshidratación

Se pueden utilizar dos tipos de desecación: secado por método de cilindros calientes (por

contacto o por película) y secado por atomización o pulverización.

El primero sólo se utiliza para la elaboración de determinados productos especiales

como pueden ser los elaborados con leche y cereales o los destinados a la alimentación

infantil, principalmente. El método por atomización es básicamente el sistema utilizado de

forma general para la elaboración de leche en polvo en España.

Consiste en pulverizar el concentrado de leche en una cámara llena de aire caliente o

atravesada por corrientes de aire caliente. Las gotitas son recogidas y arrastradas por una

corriente de aire caliente que les aporta el calor necesario para que se produzca la evaporación

del agua y que también se encarga de recoger y de evacuar esta agua que se evapora. Las

partículas secas, por el contrario, caen al fondo y se descargan.

La temperatura de entrada del aire calefactor oscila entre los 170-520ºC, mientras que la del

producto a desecar es de aproximadamente 45-50ºC esta diferencia de temperatura permite un

rápido traspaso del calor, lo que se traduce en una desecación rápida del producto.

Para evitar desnaturalización térmica del producto el proceso se divide en varias etapas con

distintas relaciones de temperatura-tiempo.

En la desecación primaria, que se hace en torre de secado, es donde se vaporiza rápidamente la

mayor parte del agua, dejando el producto con un 10-20% de humedad y en forma de

aglomerados de tamaño variable.

La desecación secundaria (en lecho fluidificado) termina de desecar el producto. Por último, hay

una aglomeración moderada con aire caliente o vapor de agua a temperaturas menores a 100ºC

y un enfriamiento por medio de aire frío deshumectado a la temperatura adecuada para el

almacenamiento o el envasado.

Estas instalaciones suelen disponer de sistemas de limpieza CIP independientes.

Tamizado y recuperación de finos

Esta etapa solo es necesaria cuando el secado se realiza en torres con lechos fluidificados,

pudiendo existir también una recuperación de finos.

Envasado

El envasado del producto en polvo enfriado se puede realizar, bien directamente a la salida del

último ciclón o del fluidificador, bien después de un almacenamiento temporal en silos.

Se suele envasar en sacos o recipientes herméticamente cerrados que aseguren protección total

contra contaminaciones, absorción de la humedad y acción de la luz.

13

1.1.3 Leches concentradas

Las denominadas leches concentradas, al igual que la leche en polvo, se encuadran dentro

de los denominados productos lácteos conservados, que son productos obtenidos de la leche

a los que se les somete a un proceso de extracción de agua.

Con el objetivo de conseguir productos que posean una conservación a largo plazo, en esta

denominación se encuadraría la leche concentrada, la leche condensada y la evaporada.

Descripción del proceso productivo

Los procedimientos de fabricación se subdividen en las siguiente etapas: selección y

tratamientos previos de la leche, al igual que la leche de consumo (recepción,

almacenamiento, termización, desnatado, estandarización, tratamiento térmico),

concentración o evaporación, inoculación, almacenamiento y envasado.

En el caso de la elaboración de la leche condensada, una vez realiza la evaporación o

concentración de la leche, se le añade azúcar y se envasa. El bajo contenido en agua y la

alta concentración en azúcar del producto final hace que este producto no necesite ningún

tipo de acondicionamiento final del producto envasado.

Sin embargo, para la elaboración de leche evaporada, después de la fase de concentración

se procede a su envasado y posteriormente se le realiza un tratamiento térmico de

esterilización.

A continuación se aprecian todos los procesos en el diagrama de flujo.

14

1.1.3.1 Diagrama de Flujo

Figura 7: Diagrama de flujo de la fabricación de la leche concentrada, condensada y evaporada y sus residuos.


15

1.1.3.2 Descripción de las operaciones y procesos.

1.1.3.2.1 Concentración

La obtención del concentrado consiste en reducir el contenido de agua de la leche

aproximadamente en un 70%.

Este proceso se alcanza evaporando la cantidad adecuada de agua utilizando unos

equipos denominados evaporadores, consiguiéndose con ellos una reducción del

peso y volumen, con un aumento de la viscosidad y densidad de la leche.

La concentración consiste en evaporar productos líquidos que se hacen llevar a su

temperatura de ebullición en una cámara en donde únicamente hay vapor a

presión atmosférica.

Se utilizan evaporadores que funcionan a un vacío parcial para rebajar la

temperatura de ebullición. Este método tiene la ventaja de evitar modificaciones

profundas de la estructura de la leche (transformación de la lactosa y alteraciones

organolépticas), ya que se impide que la temperatura de ebullición tenga que

llegar a 100ºC.

Lo habitual es utilizar más de un evaporador, lo que se denomina evaporación de

múltiple efecto, ya que permite un consumo energético más eficiente.

El sistema más ampliamente utilizado es el doble efecto, en el que en un primer

evaporador se hace hervir una fracción del líquido a concentrar. Los vapores que

salen de él sirven para calentar y evapora otra fracción del líquido contenida en un

segundo evaporador, en el que se mantiene una presión inferior a la que aún reina

en el primero. Prácticamente, el líquido circula en continuo y, sucesivamente, a

través de los dos evaporadores sin dejar de hervir. El ahorro de vapor de

calentamiento es de alrededor del 50% con este sistema.

Generalmente se usan evaporadores en continuo de múltiple efecto, que tienen

como principal ventaja el reducir el tiempo de contacto entre la leche y el fluido

calefactor.

Otro método de ahorro energético, alternativo al múltiple efecto, es la

recompresión mecánica o térmica del vapor, ya que la entalpía del vapor emitido

por el evaporador, no es, por lo general, muy superior a la entalpía del vapor

utilizado para el calentamiento del propio evaporador.

Es habitual la reutilización de los condensados de los últimos efectos (agua a

unos 45ºC aproximadamente) para varias aplicaciones dentro de la industria: agua

de calentamiento para otras zonas, complemento al agua de aporte a calderas o

para la preparación de soluciones de limpieza, aunque en éste caso, se debe tener

en cuenta el tipo de detergente que se va a utilizar con este tipo de agua.

El proceso de concentración se da por finalizado cuando el concentrado alcanza el

porcentaje de extracto seco exigido para el producto lácteo concentrado en

cuestión.

16

1.1.3.2.2 Tanque de Espera

La leche concentrada que sale del último efecto de la etapa de concentración y que

se encuentra a una temperatura de 60-64ºC, se mantiene en un tanque de espera

durante un corto periodo de tiempo a fin de ajustar su viscosidad hasta los niveles

requeridos. Antes de su pase a la etapa siguiente de inoculación, la leche

concentrada se enfría hasta una temperatura de 25-28ºC.

1.1.3.2.3 Inoculación

En un tanque de incubación dotado de una agitación suave se añade lactosa en

polvo esterilizada con el objetivo que cada partícula de lactosa actúe como núcleo

de cristalización del azúcar y así conseguir una dispersión de los mismos. Esta

dispersión de los cristales mejora sus propiedades texturales finales.

17

1.1.4 Yogures y Leches Fermentadas

Todas las leches fermentadas tienen una característica común, la de obtenerse por la

multiplicación de bacterias lácticas en una preparación de leche. El ácido láctico que

producen coagula o espesa la leche, confiriéndole un sabor ácido más o menos

pronunciado.

Las características propias de las diferentes leches fermentadas se deben a la variación

particular de ciertos factores, como la composición de la leche, la temperatura de

incubación o la flora láctica.

La fermentación de la leche por las bacterias lácticas da como resultado la modificación de

los componentes normales de la leche, así la lactosa se transforma parcialmente en ácido

láctico o, en ciertas leches, en alcohol etílico. Los prótidos sufren un comienzo de

peptonización que mejora su digestibilidad y, en ocasiones, la leche se carga de CO2 y se

vuelve espumosa.

El yogur es la leche fermentada más conocida por lo que en este apartado se estudiará con

mayor atención.

Existe una gran variabilidad de tipos de yogur en función de su consistencia (coagulados,

líquidos, mousse), composición (desnatados, semidesnatados, normales, enriquecidos) o

sabor (natural, con azúcar, con sabores, con fruta, etc.).

Descripción general del proceso productivo del Yogur.

Se entiende por «yogur» o «yoghourt» el producto de leche coagulada obtenida por

fermentación láctica mediante la acción de «Lactobacillus bulgaricus» y «Streptococcus

thermophilus» a partir de leche pasterizada, leche concentrada pasterizada, leche total o

parcialmente desnatada pasterizada, leche concentrada pasterizada total o parcialmente

desnatada, con o sin adición de nata pasterizada, leche en polvo entera, semidesnatada o

desnatada, suero en polvo, proteínas de leche y/u otros productos procedentes del

fraccionamiento de la leche.(RD 179/2003).

El yogur puede prepararse con leche de cabra, de oveja y de burra aunque el más extendido

es el fabricado con leche de vaca.

Para la fabricación de yogur se parte de leche estandarizada en su contenido graso y

pasterizada para evitar contaminaciones microbianas no deseadas.

En primer lugar se procede a la fermentación de la leche mediante la inoculación del cultivo

bacteriano y posterior incubación de la leche a la temperatura adecuada. En función del tipo

de yogur elaborado la incubación se puede realizar en el mismo envase en el que se

comercializa el yogur o en tanques para su envasado posterior. La fermentación se detiene

mediante refrigeración.

La consistencia del yogur depende de la proporción del extracto seco magro (caseína) de la

leche, de tal forma que en ocasiones, en la elaboración de los yogures consistentes debe

añadirse leche en polvo desnatada o concentrando. La adición de azúcar y otros

complementos (jarabe de frutas, confituras, mermeladas, pulpa de frutas, etc.) puede

realizarse directamente al caudal de producto antes del envasado mediante equipos

dosificadores o en el tanque de fermentación o de almacenamiento.

18


Figura 8: Diagrama de flujo de la fabricación del yogur y sus residuos.


19

1.1.4.2 Descripción de las operaciones y procesos

1.1.4.2.1 Incubación

Previamente a la etapa de incubación se realiza la siembra de los

microorganismos responsables de la fermentación de la leche. La siembra

consiste en la inoculación del medio de cultivo en la leche previamente calentada

a la temperatura de incubación del cultivo.

Dependiendo del tipo de yogur, la siembra puede efectuarse en régimen de

continuidad, dosificando el cultivo directamente en el caudal de leche antes o

después del calentamiento (yogur firme o sólido) o de forma discontinua

añadiéndolo en el tanque de incubación (yogur líquido).

Tras la siembra de los fermentos da comienzo la etapa de incubación. En esta

etapa los microorganismos fermentativos metabolizan la lactosa produciendo

ácido láctico. Este fenómeno hace que el pH descienda produciéndose la

coagulación de la caseína. Este proceso tiene lugar en unas condiciones

determinadas de temperatura y tiempo (42º-45ºC durante 2,5–3 horas).

Una vez finaliza la coagulación de la caseína, se detiene el proceso haciendo

descender la temperatura de forma brusca.

La formación del gel de caseína es especialmente sensible a los esfuerzos

mecánicos, por lo que la incubación, en el caso del yogur firme, debe realizarse en

reposo total.

Según el producto a elaborar y el tipo de instalación disponible, la incubación

puede realizarse de las siguientes maneras:

♦Fermentación en los envases. Se utiliza en la fabricación de yogur coagulado o

yogur firme, realizándose la fermentación en el propio envase donde se va a

comercializar el producto. La siembra de la leche se produce en línea previamente

a su envasado y paletizado. Los palets de envases se introducen en las cámaras de

incubación calentadas por aire.

♦Fermentación discontinua en tanques. Es la técnica más eficiente desde el punto

de vista productivo y energético. La incubación se realiza en tanques de

fermentación y una vez finalizada, el yogur se enfría y se envasa. Se utiliza

preferentemente para la fabricación de yogures líquidos, aunque se puede utilizar

para yogures coagulados si se le añade a la leche agentes estabilizadores.

♦Fermentación continua. Este tipo de fermentación requiere de fermentadores

especiales que permitan la formación del yogur con un movimiento moderado.

La incubación requiere unas condiciones de temperatura (42–45ºC) durante

periodos de tiempo que pueden variar entre 2,5 y 3.

20

1.1.4.2.2 Refrigeración

El enfriamiento del yogur paraliza las reacciones fermentativas, evitando que el

yogur siga acidificándose. Dependiendo del tipo de sistema de incubación

utilizado (ver apartado anterior) encontramos dos sistemas de refrigeración

principales:

♦Túneles de enfriamiento de aire seco, cuando la fermentación se realiza en el

propio envase (yogur firme), los palets con los envases se introducen en túneles

de enfriamiento por aire seco frío en donde se hace descender la temperatura del

producto hasta 15ºC.

♦Intercambiadores de placas, cuando el enfriamiento se produce tras la

fermentación y antes del envasado (yogur líquido) se puede enfriar rápidamente el

yogur una vez incubado utilizando cambiadores de placas.

1.1.4.2.3 Envasado

Como se ha comentado anteriormente, el envasado puede realizarse antes o

después de la incubación.

Se aprovecha esta etapa de envasado para la adición de fruta, sabores y otros

ingredientes.

Generalmente para el envasado del yogur se utiliza casi siempre envases de

poliestireno con tapas laminadas de aluminio recubierto de polietileno sellable

con calor. También se utilizan otro tipo de envases como los tarros de vidrio.

21

1.1.5 Queso Fresco y Madurado

La elaboración de queso es una de las formas más antiguas de procesado de la

leche, realizándose de forma tradicional en cada pueblo, zona o comarca.

El queso es un producto fresco o maduro, obtenido por separación del suero después de la

coagulación de la leche natural, de la desnatada total o parcialmente, de la nata, del suero de

mantequilla o de una mezcla de algunos o de todos estos productos.

A continuación, después de la coagulación, se moldea, se sala, se prensa y en algunos tipos

de queso se siembra con cultivos fúngicos o bacterianos. En algunos casos se le añaden

también colorantes, especias u otros alimentos no lácteos. Se consume en fresco o con

distintos grados de maduración.

Se pueden seguir varios criterios para su clasificación:

-Según el origen de la leche con la que han sido elaborados (leche de vaca, cabra, oveja).

-Según las características del producto final (quesos con sal, quesos fundidos, etc.).

-Según el proceso de maduración (quesos curados, semicurados, frescos).

Descripción general del proceso productivo del queso.

Antes de comenzar con las operaciones de elaboración de queso, la leche debe ser tratada y

preparada para acondicionar sus características físicas, químicas y biológicas (filtración,

clarificación, estandarización) al producto final que se quiere obtener (ver descripción del

proceso productivo de la leche de consumo). La leche puede ser entera o estandarizada y se

pasterizará o termizará en función del tipo de queso a obtener (pasterizado o leche cruda).

La etapa de pasterización será obligatoria para los quesos que se consuman antes de los

sesenta días siguientes a su elaboración.

Una vez lista para iniciar la etapa de coagulación, se lleva la leche a la temperatura

adecuada y se añaden los fermentos y/o enzimas encargados de la formación del gel o

coagulo. Terminada la coagulación, se corta la cuajada en pequeños cubos para favorecer el

desuerado.

Después de separar el suero, se introduce la cuajada en los moldes y en algunos casos se

prensa. Una vez estabilizada la forma del queso, se sala y se procede a la maduración. En

algunos quesos el proceso termina con el desuerado y envasado sin que tenga lugar

la etapa de maduración (quesos frescos).

Actualmente, la mayor parte de los quesos frescos envasado sufren un proceso previo de

ultrafiltración que separa parte del suero antes de proceder a su cuajado en el propio envase.

22


QUESO MADURO

Figura 9: Diagrama de flujo de la fabricación de queso maduro y sus residuos.


23

QUESO FRESCO

Figura 10: Diagrama de flujo de la fabricación de queso fresco y sus residuos.


24

1.1.5.2 Descripción de las operaciones

1.1.5.2.1 Coagulación

La operación de coagulación se basa en provocar la alteración de la caseína y su

precipitación, dando lugar a una masa gelatinosa que engloba a todos los

componentes de la leche. La naturaleza del gel que se forma al coagular la caseína

influye poderosamente sobre los posteriores procesos de fabricación del queso

(desuerado, desarrollo de la maduración, formación de “ojos”, etc.)

La coagulación se realiza en cubas donde se forma la cuajada, estas cubas no debe

moverse ni recibir golpes durante el tiempo de coagulación ya que de no ser así se

pueden alterar los procesos de coagulación con la consecuente pérdida de caseína

con el residuo líquido.

La coagulación puede realizarse de tres formas:

-Coagulación ácida.

-Coagulación enzimática.

-Coagulación mixta.

La coagulación ácida es la que se produce mediante ácidos, generalmente por la

acción de bacterias lácticas que producen la transformación de la lactosa en ácido

láctico. La formación de ácido láctico reduce el pH de la leche provocando la

alteración del complejo caseína-calcio, liberando progresivamente el calcio de

este complejo. Cuando el pH alcanza un valor de 4,6 se observa entonces la

precipitación de la caseína que queda nadando en la fase líquida

(lactosuero) que contiene además el calcio de la caseína en estado disuelto. El gel

resultante de este proceso, está formado por cadenas proteicas más o menos

polimerizadas formando una red, que no tiene ni rigidez ni compacidad.

La coagulación enzimática es el sistema de coagulación más empleado en la

elaboración de queso, se produce mediante la adición de enzimas tipo proteasas.

El cuajo obtenido de los estómagos secos de terneros en lactación contiene estos

enzimas, por lo que se ha empleado tradicionalmente en la producción de queso.

La coagulación enzimática transforma el complejo caseína–calcio que se

encontraba en disolución coloidal en una red de paracaseinato cálcico, formando

el gel o coágulo, que engloba el resto de componentes del queso. La carga mineral

de las micelas del coágulo así formado le confieren rigidez y compacidad. De esta

forma una parte importante de la fase líquida (lactosuero) queda retenida en esta

estructura.

La cantidad de enzima coagulante a añadir a la leche depende del valor de pH de

ésta, del poder o fuerza coagulante del enzima y de la concentración y

características de la leche a coagular. Otro factor importante a tener en cuenta en

la coagulación es la temperatura de adición del cuajo o enzimas coagulantes.

25

De la temperatura de adición del cuajo dependen los tiempos de coagulación y de

cuajado, además de influir en la capacidad de ligar agua, la retracción del coágulo

y la acidificación.

Normalmente se trabaja con temperaturas entre 28º y 34ºC excepto en el caso de

los quesos que no se someten a maduración donde se trabaja a temperaturas más

bajas.

Por último la coagulación mixta, es el resultado de la acción conjunta del cuajo y

la acidificación láctica. La obtención de un gel mixto puede realizarse

adicionando cuajo a una leche ácida o acidificando un gel enzimático.

En los quesos frescos envasados, la leche pasterizada es filtrada por medio de

membranas de ultrafiltración que retienen grasas, proteínas, parte del suero,

azúcares y sales antes de proceder a su cuajado dentro del envase

1.1.5.2.2 Corte y Desuerado

El gel formado en la coagulación, cualquiera que sea el método empleado,

constituye un estado físico inestable. Según las condiciones en las que se

encuentra, la fase líquida o lactosuero que lo impregna se separa más o menos

rápidamente. Este fenómeno es el que se conoce como desuerado.

En el caso de fabricación de queso fresco mediante ultrafiltración, la etapa de

desuerado no se efectúa de ésta manera. Por el uso de este proceso de filtración, a

la leche pasterizada se le retira, entre otros componentes, gran parte del suero

contenido en la misma. De esta forma, al añadir el producto en el envase junto

con los fermentos o el cuajo, el queso coagula en el propio envase sin necesidad

de desuerado posterior.

El desuerado de una cuajada obtenida por coagulación ácida es difícil y da lugar a

una cuajada muy húmeda y poco desuerada. Esto es debido a la dispersión de los

agregados de caseína, a la escasa contracción del coágulo y a la ausencia de carga

mineral de la caseína que forma una masa plástica que encierra el lactosuero. Se

puede considerar que el desuerado se produce como un escurrido a través de la

masa del coágulo.

El coágulo obtenido por vía enzimática no desuera al dejarlo en reposo sino que

para la salida del lactosuero es necesario realizar acciones mecánicas. Para

favorecer el desuerado, se corta la cuajada de esta forma se consigue multiplicar

la superficie de exudación.

Las condiciones en que se efectúa el troceado del gel influyen sobre el producto

final por lo que según el tipo de queso el troceado puede ser más o menos intenso.

Existen dos métodos principales de desuerado.

- En el desuerado en cuba, el coágulo es divido en cubos los cuales quedan

bañados por el lactosuero que exudan.

26

- En el desuerado en molde, el coágulo más o menos dividido es mantenido en

masa, de la cual el lactosuero es separado a medida que se va formando. En

algunos tipos de coágulos muy acidificados y desmineralizados se realiza la

separación del lactosuero por centrifugación.

La separación del lactosuero de las cuajadas dejadas en reposo es débil y lenta y

en la mayor parte de los quesos no se conseguiría la composición final deseada.

Por este motivo se realizan otras operaciones que facilitan el desuerado de la

cuajada. Existen dos tipos de tratamientos: térmicos y mecánicos.

Para la elaboración de determinados quesos donde se quiere obtener un extracto

seco muy alto se emplean los tratamientos térmicos, donde debido a la elevación

de la temperatura se produce un aumento del grado de desuerado del queso.

Para otros tipos de queso se pueden utilizar uno o varios de los siguientes

tratamientos mecánicos: cortado, la agitación, el moldeo o el prensado.

Según el tipo de coagulación empleado se obtendrá un tipo de lactosuero distinto:

-Suero dulce. Es generado durante la coagulación enzimática de la leche.

Generalmente contiene entre 0,6–0,9% de proteína soluble, alrededor del 0,3% de

grasa y una gran cantidad de lactosa (más del 5%). En este tipo de suero la

presencia de ácido láctico es prácticamente inapreciable.

-Suero ácido. Se genera cuando se realiza coagulación ácida para coagular la

leche. Este tipo de lactosuero contiene aproximadamente la misma proporción de

proteína soluble que el lactosuero dulce pero una menor proporción de grasa y

algo menos de lactosa (4,5%), mientras que el ácido láctico representa hasta un

0.8%.

Genéricamente, hablaremos de lactosuero para referirnos al suero obtenido en el

proceso de elaboración de queso independientemente del tipo de coagulación

empleado.

Recuperación del lactosuero

El lactosuero generado en la elaboración de queso es unas nueve veces el

volumen de queso elaborado, y tiene una DQO de 40.000-60.000 mg/l. Este

lactosuero debe ser recogido para su posterior valorización dentro o fuera de la

instalación, evitando así su vertido a colector que supondría un aporte muy

elevado de la carga orgánica al vertido final.

El lactosuero debe ser recogido, almacenado y transportado en condiciones

adecuadas para asegurar su posterior valorización.

En los casos en los que la valorización del lactosuero es externa, suele haber una

etapa previa de concentración mediante evaporación u ósmosis inversa para

reducir el volumen final transportado. Las posibilidades de valorización del

lactosuero son múltiples, aunque muchas de ellas condicionadas a su calidad.

27

Entre ellas podemos destacar:

- Directamente como materia prima para la elaboración de productos lácteos y

bebidas.

- Tras un proceso de ultrafiltración y secado mediante "spray drying" se obtiene

una fracción que puede llegar a contener entre un 25-80% de proteína y que

puede ser usada en la elaboración de múltiples productos alimenticios.

- Tras la concentración y secado mediante "spray drying" se obtiene un

polvo que es susceptible de ser utilizado en alimentación, aunque existen

problemas asociados por la caramelización de la lactosa. La precristalización de

la lactosa antes de la etapa de secado podría evitar este efecto.

- Para alimentación animal (porcino, bovino).

- Extracción de compuestos de interés (proteínas, sales, extractos alimentarios,

etc.).

- Producción de biogás mediante digestión anaerobia.

- Producción de bioalcohol tras fermentación.

- Desmineralización (+ secado para la elaboración de leche infantil y

chocolate). Desmineralización por medio de electrodiálisis o intercambio iónico.

Alto coste de implantación pero da como resultado productos de elevado valor

añadido.

1.1.5.2.3 Moldeo y prensado

El moldeo consiste en verter en los moldes preparados para este fin los trozos de

cuajada. Los moldes suelen ser de plástico (PVC) y, deben ser tales, que le

confieran al queso acabado las medidas y el peso establecido.

El prensado se aplica para favorecer la expulsión del suero intergranular de la

cuajada y dar al queso su forma definitiva. Fundamentalmente se prensan los

quesos de una mayor consistencia del producto final. La intensidad de la presión

ejercida variará en función del tipo de queso. El prensado de los quesos puede

realizarse tanto por la presión que ejerce el peso de los mismos quesos como

aplicando una fuerza adicional.

Este debe ser progresivo y uniforme, comenzando por una presión ligera de 1,5-2

kg dependiendo del tamaño de los quesos, para terminar hacia los 3,5-4 kg. de

presión.

Durante el prensado también se produce la salida de lactosuero de la masa del

queso, aunque la cantidad de lactosuero generada en esta etapa es menor que en el

desuerado.

28

1.1.5.2.4 Salado

Cada variedad de queso tiene asignado un determinado contenido en sal común.

Como norma general, el contenido de sal disminuye a medida que disminuye la

proporción de extracto seco.

El salado es uno de los factores que más influyen en el sabor del queso. Además

interviene en la regulación del contenido de suero y de la acidez. La sal hace que

se esponje la pasta del queso, asegura su conservación (junto con el valor de pH),

inhibe la germinación de los microorganismos causantes del hinchamiento y

estimula el desarrollo de la flora de maduración del queso. El contenido en sal

también influye en la consistencia del queso, cuanto mayor es el contenido en sal,

mayor es la consistencia.

Esta operación se puede realizar sobre la leche (en la cuba) o sobre el queso,

empleando salmueras (al 16–22% de sal) o sal seca. El tiempo y la cantidad o

concentración de sal depende del tipo de queso y del método de salado.

Las operaciones posteriores al salado dependen del tipo de queso que deseamos

como producto final, bien fresco o madurado. A continuación se indican las

distintas etapas para la elaboración de estos dos tipos de quesos.

a) Queso fresco

Los quesos frescos son aquellos que no tienen periodo de maduración o éste es

muy reducido, normalmente son aquellos que están dispuestos para el consumo al

finalizar su proceso de fabricación. Después del moldeo, prensado y salado,

sufren un proceso de enfriamiento que proporciona consistencia al queso, se

envasa y se almacena a temperatura de refrigeración para ser expedido al

consumidor.

a.1 Enfriamiento

El queso elaborado se enfría a temperatura de envasado en cámaras de

refrigeración.

a.2 Envasado

Para el envasado del queso fresco generalmente se utiliza envases de poliestireno

con tapas

laminadas de aluminio recubierto de polietileno sellable con calor.

a.3 Almacenamiento refrigerado

Desde el momento del acabado del producto hasta su distribución comercial, los

quesos frescos deben permanecer almacenados en cámaras de refrigeración.

29

b) Queso madurado

Queso madurado: es el que tras el proceso de fabricación requiere mantenerse

durante cierto tiempo a una temperatura y en condiciones tales que se produzcan

los cambios físicos y/o químicos necesarios y característicos del mismo.

b.1 Secado

Una vez terminada la operación de salado, el queso puede exponerse a una

corriente de aire para que se seque la superficie. El secado superficial tiene una

especial importancia cuando el queso se envuelve o se recubre de cera para su

maduración.

Esta operación se realiza en salas o cámaras de secado acondicionadas para este

fin. En ellas se hace circular una corriente de aire con unas condiciones de

temperatura y humedad controladas para provocar el secado superficial del queso.

b.2 Maduración

Los quesos, una vez salados y secados, son llevados a las salas o cámaras de

maduración, en las que se controla la temperatura y la humedad.

Durante este periodo los quesos pierden peso por evaporación y desarrollan

aromas y sabores característicos de cada tipo.

La maduración del queso incluye procesos físicos, microbiológicos y enzimáticos,

dando lugar a un producto acabado con unas determinadas características de

aroma, sabor y textura.

b.2.1 Transformaciones organolépticas

Los procesos más evidentes que tienen lugar son, generalmente:

-Formación de una corteza más o menos dura que según el tipo de queso puede

ser seca o estar recubierta con una capa de fermentos o mohos (aspecto externo).

-Formación de una pasta homogénea y suave de un color que puede ir desde el

blanco hasta el amarillo (aspecto interno).

-Formación de agujeros u “ojos”, de fisuras o de hendiduras.

30

b.2.2 Transformaciones químicas

La caseína sufre un desdoblamiento hidrolítico (descomposición con adición de

agua) que se desarrolla escalonada o paralelamente, a veces hasta sus

componentes elementales, los aminoácidos. En las transformaciones químicas

también se ven involucradas las grasas, que sufren un desdoblamiento que va a

ser el origen de la producción de las sustancias aromáticas que caracterizarán al

queso acabado.

b.2.3 Transformaciones microbiológicas

Una de las condiciones indispensables para que la maduración se desarrolle de

una forma óptima es la formación de una flora específica de

maduración. Se caracteriza fundamentalmente por ser una flora superficial y

por la formación de agujeros en el interior de la pasta del queso.

b.3 Acondicionamiento

Para una adecuada maduración los quesos sufren volteos periódicos con una

frecuencia determinada que permite que adquieran la forma correcta, se sequen de

forma homogénea y haya una correcta distribución de las sustancias antimoho

añadidas a la corteza (sorbato potásico o pintura plástica con pimaricina).

b.4 Almacenamiento

Después de la maduración los quesos están listos para salir al mercado, pero si no

hay demanda y se quieren almacenar, se introducen en cámaras de conservación a

temperaturas de 4-5ºC para evitar que sigan madurando y con una humedad algo

más elevada que en las cámaras de maduración para que el queso no siga

perdiendo peso.

31

1.1.6 Nata

La materia prima utilizada en el proceso de fabricación de este producto lácteo es la nata

obtenida de la leche en los diferentes procesos de desnate a que se ve sometida.

La nata de consumo se obtiene tras la estandarización con determinados ingredientes y

tratamiento térmico de la nata base. Puede comercializarse como nata fresca (pasterizada) o

de larga duración (tratamiento UHT y esterilizada) tras ser sometida a un proceso de

estabilización microbiológica mediante pasterización/esterilización y un envasado final.

Descripción del proceso productivo

La nata procede de la fase de desnatado que se realiza a la leche cruda. El proceso que se

aplica a la nata es un tratamiento térmico para estabilizarla desde el punto de vista

microbiológico. El tipo de tratamiento (pasterización, esterilización o UHT) depende del

producto final que queramos conseguir. Posteriormente la nata es envasada y almacenada.

Se entiende por nata pasterizada la sometida a un tratamiento térmico en condiciones tales

de temperatura y tiempo que aseguren la total destrucción de los gérmenes patógenos y la

casi totalidad de la flora banal sin modificación sensible de su naturaleza físico-química y

cualidades nutritivas.

Se entiende por nata UHT la sometida, en circulación continua, a tratamiento térmico que

asegure la destrucción de los gérmenes y la inactivación de sus formas de resistencia,

siendo posteriormente envasada en condiciones asépticas.

Se entiende por nata esterilizada a la sometida a un proceso de esterilización comercial,

semejante al descrito para la leche y los productos lácteos aromatizados (batidos).

32


Figura 11: Diagrama de flujo de la fabricación de nata y sus residuos.


33

1.1.6.2 Descripción de las operaciones

1.1.6.2.1 Tratamiento térmico

Como se ha comentado anteriormente, el tipo de tratamiento térmico a realizar

depende del producto final requerido, nata pasterizada, nata esterilizada o nata

UHT.

Las temperaturas de pasteurización de la nata oscilan entre los 95º y 110ºC.

Cuanto mayor sea el contenido de grasa más alta tendrá que ser la temperatura de

pasteurización. Para esta operación se utilizan intercambiadores de placas

preparados y diseñados especialmente teniendo en cuenta la elevada viscosidad de

la nata, comparada con la de la leche.

El tratamiento de esterilización y UHT de la nata es similar al que se realiza en la

leche de consumo, pero teniendo en cuenta las presiones de homogeneización,

que deben ser adecuadas al tipo de nata que se quiere fabricar.

Para mejorar el rendimiento global del tratamiento de la nata se emplean líneas de

tratamiento completo que incluyen fase de calentamiento y de recuperación

térmica y de refrigeración, donde se enfría la nata. Se suelen usar tanques con

agitador y camisa externa, que sirven para refrigerar y estandarizar la nata.

1.1.6.2.2 Envasado y envasado aséptico

El material de envase podrá ser vidrio, cartón parafinado, material

macromolecular o cualquier otro autorizado para este fin. En el caso del envasado

aséptico se utilizarán envases previamente esterilizados, al igual que todas las

conducciones y equipamiento necesario para el envasado.

1.1.6.2.3 Almacenamiento

La conservación del producto se realizará en todo momento a una temperatura no

superior a 8ºC, a excepción de las natas UHT y esterilizadas.

34

1.1.7 Mantequilla

La mantequilla es un producto que se obtiene a partir de la nata tras su

maduración y eliminación de gran parte de la fase acuosa, con lo que en realidad es una

emulsión de agua en grasa.

Descripción general del proceso productivo de la mantequilla.

La mantequilla es un producto de olor y sabor característicos obtenido tras la maduración

de la nata, en la que ésta sufre una serie de transformaciones bioquímicas. Mediante el

batido y amasado, pierde gran parte de la fase acuosa y se transforma la emulsión de grasa

en agua (nata) en una emulsión de agua en grasa (mantequilla).

Existen varios sistemas para la elaboración de mantequilla, aunque por su mayor

representatividad podemos destacar dos: los basados en la aglomeración de los glóbulos

grasos y los basados en la refrigeración de una concentración de grasa (utilizado para

obtener mantequilla con un contenido en grasa inferior al 50%).

A continuación, describiremos el procedimiento continuo de elaboración de mantequilla

basado en la aglomeración de los glóbulos grasos, por ser el más relevante desde el punto

de vista de la producción total.

Previamente, la elaboración de mantequilla comienza con el tratamiento previo de la nata

(pasterización, refrigeración y maduración). A continuación, se separa la fracción acuosa

(mazada o suero de mantequilla) de los granos de mantequilla, los cuales se someten a un

posterior lavado con agua fría o con la propia mazada.

Finalmente, con el fin de obtener una masa compacta y homogénea en la que el agua esté

uniformemente distribuida, los granos de mantequilla se someten a un amasado. Por último

se realiza el envasado de la mantequilla

35


Figura 12: Diagrama de flujo de la fabricación de la mantequilla y sus residuos.


36

1.1.7.2 Descripción de los procesos

1.1.7.2.1 Desodorización

Antes de la pasterización es aconsejable la desodorización de la nata, ya

que las sustancias aromáticas se encuentran en la grasa, por lo que pueden

transmitirse olores extraños a la mantequilla. También se reduce la oxidación de

los ácidos grasos y el crecimiento de microorganismos aerobios indeseables.

La desodorización se realiza en evaporadores a vacío, en los que hay una presión

tal que la temperatura de ebullición es de 7-9 grados menos que la temperatura de

la nata, evaporándose así las sustancias volátiles. Este proceso se realiza en

caliente para aumentar su efectividad, empleándose para ello intercambiadores de

calor indirectos (de placas o tubulares de superficie rascada)

1.1.7.2.2 Pasterización

Se emplean intercambiadores de calor indirectos, bien de placas especialmente

diseñados para la nata, bien tubulares de superficie rascada.

1.1.7.2.3 Maduración de la nata

La maduración de la nata tiene por objeto la cristalización de los glóbulos de

grasa y la formación de aromas. Se producen una serie de cambios físicos y

bioquímicos que dependen del sistema empleado en su fabricación:

Maduración sin acidificación

En el periodo de maduración no hay aporte de fermentos lácticos, produciéndose

únicamente cambios físicos. Para ello se mantiene la nata durante un cierto

tiempo en condiciones de temperatura determinadas.

Maduración con acidificación

La nata sufre, con esta técnica, tanto cambios físicos como bioquímicos, ya que

los fermentos lácticos añadidos transforman la lactosa en ácido láctico (entre otras

sustancias), acidificando el medio.

La técnica tradicional consiste en la adición de los fermentos en el tanque

de fermentación, procediéndose a la fase de batido una vez obtenido el pH

deseado. Existe otro procedimiento (denominado Nizo), en el que la adición de

los fermentos se realiza en la segunda sección del cuerpo de la amasadora

continua, siendo la acidificación más rápida y obteniéndose mazada dulce.

37

1.1.7.2.4 Batido-Amasado

En esta fase la emulsión de grasa en agua se transforma en la emulsión de agua en

materia grasa, mediante batido mecánico.

El batido produce una gran fuerza de cizallamiento, que rompe la envoltura

de los glóbulos grasos y permite su unión. Se forman dos fases: una fase grasa

compuesta por grumos de mantequilla y una acuosa compuesta por lo que se

denomina mazada o suero de mantequilla.

Una vez se han formado los granos de mantequilla, se separan las dos fases

(desuerado), y se lava (en algunos casos) la mantequilla con agua fría para

eliminar los restos de mazada.

Posteriormente se somete a la mantequilla a un amasado para formar una masa

compacta, distribuir en toda la masa las gotas de agua restantes y normalizar el

contenido en humedad y otras sustancias (sal, posibles aromas).

38

2 CAPÍTULO II: Contaminación en la Industria Láctea. Valores de emisión y Consumo.

2.1 Contaminación Atmosférica

La contaminación atmosférica en la industria láctea proviene, principalmente de

sus generadores de vapor. Se trata de calderas que trabajan a baja presión, con una

generación de vapor inferior a las 20 ton/hora.

Los contaminante que se pueden esperar en los gases de combustión son CO, SO2

o NOx y partículas. Los niveles de emisión de estos contaminante variarán en

función del tipo y calidad del combustible utilizado, del estado de las

instalaciones, de la eficiencia y control del proceso de combustión. Los

combustibles más empleados en las calderas son de tipo sólido (carbón y madera),

líquido (fuel o gasoleo) o gaseoso (gas natural).

A

d

e

m

á

s

,

o

t

r Tabla 1: Propiedades medias de algunos combustibles.

Fuente: [Brennan J.G., 1998]

Además, otro aspecto a considerar en las emisiones a la atmósfera es la emisión

de gases refrigerantes utilizados en los sistemas de refrigeración. Las pérdidas o

fugas de estos gases suponen un impacto medioambiental de importancia dada su

repercusión sobre la destrucción de la capa de ozono.

39

2.2 Residuos Sólidos

La mayor parte de los residuos generados en la empresa láctea son de carácter

inorgánico, principalmente residuos de envases y embalajes tanto de materias

primas y secundarias como del producto final. También se generan otros residuos

relacionados con las actividades de mantenimiento, limpieza o el trabajo de

oficina y laboratorio.

Tabla 2: Principales residuos encontrados en una empresa láctea.

Fuente:[Prevención de la contaminación en la industria láctea, PCIL]

2.3 Consumo de Agua

Las industrias lácteas consumen gran cantidad de agua en sus procesos y,

especialmente, para mantener las condiciones higiénicas y sanitarias requeridas.

El consumo suele rondar entre 1.3-3.2 L de agua/kg de leche recibida, pudiéndose

alcanzar valores mucho más elevados como 10 L agua/kg. Sin embargo,

optimizando los procesos, podríamos lograr valores de 0.8-1 L de agua/kg.

Las operaciones auxiliares, particularmente de limpieza y desinfección, es donde

se consume entre el 25-50% del total.

40

2.4 Consumo de energía

El uso de la energía es fundamental para asegurar el mantenimiento de la calidad

de los productos lácteos, especialmente en los tratamientos térmico, en las

operaciones de refrigeración y en el almacenamiento del producto. En una

empresa láctea el consumo energético se podría dividir en un 80% energía térmica

y un 20% energía eléctrica.

2.5 Efluentes Líquidos

Sin lugar a dudas, la generación de aguas residuales es el aspecto ambiental más

significativo de la industria láctea. Dependiendo del producto final buscado así

como del punto en el que nos encontremos en el proceso productivo, se generarán

distintos tipos de residuos líquidos.

Los vertidos generados en las empresas que procesan leche son de diversa

naturaleza. Los más habituales son: limpiezas de equipos, lavado de superficies,

servicios del personal... Existen, además, otros como el agua de lluvia, etc. Se

recomienda en estos casos disponer de redes separativas e intentar minimizar al

máximo la llegada de agua de lluvia al sistema de tratamientos de aguas

residuales.

En cuanto a la contaminación habitual, podría decirse que es de origen orgánico.

Esto se traduce en una demanda biológica de oxígeno (DBO) y una demanda

química de oxígeno. Además también se presentan grasas, fósforo y nitrógeno.

En cuanto a las etapas habituales para tratar este tipo de aguas residuales se

podrían dividir en cinco:

- Desbaste

- Sistema de Homogenización

- Sistema físico químico de flotación forzada

- Tratamiento biológico mediante fangos activos

- Deshidratación de fangos (decantadora centrífuga)

Es importante indicar que no siempre son necesarias todas, en algunas ocasiones

se puede ir trabajando por etapas en el proceso de depuración.

En general, los efluentes líquidos de una industria láctea presentan las siguientes

características:

- Alto contenido en materia orgánica, debido a la presencia de componentes de la

leche.

- Aceites y grasas, debido a la grasa de la leche y otros productos lácteos, como

las aguas de lavado de la mazada.

41

- Variaciones importantes del pH, vertidos de soluciones ácidas y básicas.

Principalmente procedentes de las operaciones de limpieza, pudiendo variar

entre valores de pH 2-11.

- Conductividad elevada.

- Variaciones de temperatura.

Los lácteos más producidos son la leche, el yogur, el queso, la nata y la

mantequilla, todos ellos generan residuos líquidos pero de distintos modos. El

proceso productivo es diferente en función del producto buscado, luego los

contaminantes también lo serán.

42

3 CAPÍTULO III: Residuos Orgánicos en la Industria Láctea.

En cada uno de estos procesos productivos se generan residuos de diversas formas. Los residuos

orgánicos resultan ser los más interesantes, ya que son susceptibles de metanizar. Así, estudiar

qué residuos orgánicos van surgiendo en dichos procesos va a ser necesario, así como su

composición. Resultará, que los residuos generados serán muy parecidos a pesar de ser procesos

diferentes.

3.1 Leche de Consumo

3.1.1 Recepción de la leche

El proceso de recepción de la leche es el primer lugar donde aparecen residuos orgánicos.

Una vez la leche es entregada por el ganadero a la central de tratamiento de lácteos, ésta

realiza un análisis para comprobar la calidad, concentración y composición de ésta leche. A

partir de estos datos, se decide si la leche está o no en buen estado. Es aquí donde puede

resultar que la leche se encuentre dañada y esa leche sería retirada como residuo. La leche

almacenada generalmente proviene de diferentes lotes con variada composición y calidad

que pueden afectar las variables en los procesos y por ende la calidad de los productos

finales obtenidos, pero utilizando silos de almacenamiento de mayores cantidades

(aproximadamente 300.000 Kg) se reduce significativamente las variaciones entre los lotes

de leche recogida durante 1 o 2 días.

Figura 13: Recepción y almacenamiento de la leche cruda.

Fuente: [PCIL 2002]

43

Durante el almacenamiento de la leche en silos de refrigeración pueden ocurrir los

siguientes riesgos de alteración de la leche: crecimiento de microorganismos psicótrofos,

actividad enzimática, cambios químicos y cambios físicos.

La composición de esa leche puede variar, dependiendo de cuál sea la razón de su malestar.

Las características fisio-químicas, expresadas en porcentaje en peso, que debe cumplir la

leche de acuerdo a su contenido en materia grasa es:

Tabla 3: Composición fisio-química de la leche expresada en % en peso.

Fuente: [Universidad de Murcia]

En caso de que los valores fueran superiores a éstos, esta leche sería retirada. Los valores

de las principales propiedades fisio-químicas de la leche natural se muestran en el siguiente

cuadro:

Tabla 4: Composición fisio-química de la leche natural.

Fuente: [Universidad de Murcia]

Existen diversos procedimientos para analizar el estado de la leche y la variación de estos

parámetros.

Además, la leche se recibe en cisternas, las cuales se someten a un proceso de limpieza, este

proceso genera residuos en los que la cantidad de agua es abundante, ya que el propio

transporte de la leche provoca un desnatado parcial de la misma. La limpieza de los silos de

almacenamiento genera unos residuos similares.

Por lo tanto, en el proceso de recepción de la leche pueden aparecer efluentes líquidos

provocados por leche en mal estado y por la limpieza de los equipos. Ambos son residuos

orgánicos, pero su composición es diferente. En cuanto a la leche los valores de grasas

están entre 0,3 y 3.5% mientras que en las aguas de limpieza aparece agua con un alto

contenido en grasas. Estos residuos son comunes a todos los procesos productivos de los

derivados lácteos.

44

3.1.2 Filtrado y Clarificación

A continuación, se eliminan las partículas orgánicas e inorgánicas de suciedad que pueda

contener la leche tras el ordeño o debido al transporte. También se eliminan los

aglomerados de proteínas (coágulos) que se forman en la leche. El grado de impurezas de

la leche variará en función de las técnicas de ordeño, del tratamiento en las granjas y del

transporte. En cualquier caso, es imprescindible un proceso de depuración en la industria.

En primer lugar, se puede realizar una filtración para eliminar las partículas más groseras.

Posteriormente, tiene lugar la clarificación de la leche, donde se eliminan las partículas

orgánicas e inorgánicas y los aglomerados de proteínas. Esta operación se realizará

utilizando centrífugas, que basándose en la fuerza centrífuga, separan las impurezas con un

peso específica superior al de la leche.

Figura 14: Filtrado y Clarificación de la leche.

Fuente: [PCIL 2002]

En esta operación se generan los llamados lodos de clarificación. estos lodos son residuos

semipastosos formados por partículas de suciedad, componentes sanguíneos, gérmenes y

por otras sustancias principalmente de tipo proteico. Si son vertidos con el efluente final

pueden producir aumentos importantes de la carga contaminante del vertido dando lugar a

problemas en el medio receptor. También se producen pérdidas de leche que pueden ser

arrastradas junto con las aguas residuales hasta el vertido final.

En la filtración aparecen como residuo los filtros usados en esta etapa. Tanto en la filtración

como en la clarificación se produce el consumo de energía eléctrica.

45

La composición química de estos lodos se presenta en la siguiente tabla:

CONCEPTO Unidades Concentración

Sólidos Totales % 0.8-1.2

Sólidos Volátiles % de ST 59-88

Proteína % de ST 32-41

Nitrógeno (N) % de ST 2.4-5

Fósforo % de ST 2.8-11

Óxido de Potasio % de ST 0.5-0.7

Celulosa % de ST -

pH u. pH 6.5-8

Contenido Energético kJ ST/kg 19.000-23.000

Tabla 5: Composición química de los lodos.


3.1.3 Desnatado

El proceso de desnatado, dependiendo del tipo de leche a obtener, producirá más o menos

residuos orgánicos. La leche es estandarizada en materia grasa, si es preciso, mediante el

uso de desnatadores centrífugos, de forma que se consiga la cantidad de grasa adecuada,

aprovechándose la nata producida para la elaboración de nata para el consumo o

mantequilla. En este proceso se suelen producir efluentes con alto contenido en materia

grasa.

Figura 15: Desnatado y Normalización de la leche.

Fuente: [PCIL 2002]

46

El proceso de separación de la nata por centrifugación genera unos lodos o fangos con un

contenido menor de componentes sanguíneos y bacterias que en el caso de la leche cruda.

Como en el caso anterior, si los lodos son vertidos directamente al efluente final producen

un aumento importante de la carga orgánica del vertido.

3.1.4 Tratamientos térmicos

Los tratamientos térmicos habitualmente empleados son los siguientes: pasterización y

esterilización. En los tratamientos térmicos se suelen producir depósitos de proteínas que

quedan adheridos a las superficies de los cambiadores de calor y que posteriormente deben

ser arrastrados por las limpiezas químicas. Estos tratamientos serán comunes tanto para la

leche como para la nata, postres lácteos, etc.

3.1.5 Composición química de los residuos

Tras todos estos procesos, las aguas residuales generadas tendrán la siguiente composición:

Tabla 6: Composición de las aguas residuales generadas en el proceso de elaboración de leche de consumo.

Fuente: [Escuela Organización Industrial Sevilla]

47

En un informe de la Dirección General de Alimentación del MAPA, se aprortan los

siguientes datos de concentraciones medias para las aguas residuales de una central lechera

tipo. Estos datos, por tanto, son también significativos de la composición de las aguas

residuales de una central de productos lácteos:

Tabla 7: Concentración de las aguas residuales de una central lechera tipo.

Fuente: [Escuela Organización Industrial Sevilla]

48

3.2 Yogures

Para la formación de yogur se parte de leche normalizada en su contenido graso y

pasterizada para evitar contaminaciones microbianas no deseadas.

En primer lugar se procede a la fermentación de la leche a la temperatura adecuada. En

función del tipo de yogur elaborado la incubación se puede realizar en el mismo envase en

el que se comercializa el yogur o en tanques para su envasado posterior. La fermentación se

detiene mediante refrigeración.

3.2.1 Incubación

En esta etapa, los microorganismo fermentativos metabolizan la lactosa produciendo ácido

láctico. Esto, provoca un descenso del pH, produciéndose la coagulación de la caseína. La

formación de gel de caseína es especialmente sensible a los esfuerzos mecánicos, por lo que

la incubación debe realizarse en reposo total.

Dependiendo del producto a elaborar y el tipo de instalación disponible, la incubación

puede realizarse de las siguientes maneras:

-Fermentación en los envases

-Fermentación discontinua en tanques

-Fermentación continua

Por lo tanto, los residuos generados en este proceso serán del tipo inorgánico y se basan en

envases defectuosos. También puede haber pérdidas de producto.

Figura 16: Fermentación en los envases.

Fuente: [PCIL 2002]

49

Figura 17: Fermentación discontinua en tanques.

Fuente: [PCIL 2002]

3.2.2 Envasado

Como se ha comentado anteriormente, este proceso puede realizarse antes o después de la

incubación. Generalmente para el envasado del yogur se utilizan envases de poliestireno

con tapas laminadas de aluminio recubierto de polietileno sellable con calor. También se

utilizan otros tipos de envases como los tarros de vidrio.

Así pues, la generación de residuos de envases suele ser el principal residuo generado en

esta etapa. En ocasiones pueden producirse también pérdidas de producto que se eliminan

con las aguas residuales en las operaciones de limpieza.

Por tanto, en esta etapa, aparecen residuos provenientes de envases, que serán los más

importantes, y derrames de producto no conforme. Además se consumirá energía eléctrica.

Figura 18: Etapa de Envasado.

Fuente: [PCIL 2002]

50

3.2.3 Composición de las aguas residuales

Estas aguas residuales generadas, tendrán de media la siguiente composición:

PARÁMETRO QUESOS

pH 9

Conductividad (mS/cm) 1.1

DQO (mg/l) 6.000

DBO5 (mg/l) 3.000

Sólidos en suspensión 1.600

Materia Sedimentable (ml/l) 97

Fósforo (mg/l) 130

NTK (mg/l) 8

Cloruros (mg/l) 92

Nitratos (mg/l) 0.2

Nitritos (mg/l) 10

Aceites y grasas (mg/l) 365

Detergentes (mg/l) 1

Tabla 8: Aguas residuales tras la elaboración de yogur.


51

3.3 Quesos

Los tipos de queso existentes en el mercado, son tan numerosos como sus métodos de

preparación. Por regla general su proceso es el siguiente:

Figura 19: Proceso productivo de la elaboración de queso.

Fuente: [Contaminación en la Industria Láctea]

Los efluentes que más contaminación provocan son los sueros, los cuales contienen gran

cantidad de lactosa y las proteínas del suero lácteo. Es aconsejable que estos sueros no sean

vertidos de forma directa al cauce o a la depuradora, pues provocarían un enorme

incremento de la DBO. En las plantas más modernas se obtiene a partir de él lactosuero,

proteínas del suero lácteo y lactosa en polvo, productos con un alto valor añadido y de fácil

venta posterior.

El proceso de salado también provoca la emisión de efluentes líquido, aunque en este caso

con escasa materia orgánica y gran cantidad de sales.

52

3.3.1 Corte y Desuerado

El principal residuo generado por la elaboración de queso es la producción de lactosuero.

Según el tipo de coagulación empleado se obtendrá un tipo de lactosuero distinto:

-Suero dulce: Es generado durante la coagulación enzimática de la leche. Generalmente

contiene entre 0.6-0.9% de proteína soluble, alrededor del 0,3% de grasa y una gran

cantidad de lactosa (más del 5%). En este tipo de suero, la presencia de ácido láctico es

prácticamente inapreciable.

-Suero ácido: Se genera cuando se realiza coagulación ácida para coagular la leche. Este

tipo de lactosuero contiene aproximadamente la misma proporción de proteína soluble que

el lactosuero dulce pero una menos proporción de grasa y algo menos de lactosa (4.5%),

mientras que el ácido láctico representa hasta un 0.8%.

Genéricamente hablaremos de lactosuero para referirnos al suero obtenido en el proceso de

elaboración de queso independientemente del tipo de coagulación empleado.

El contenido en lactosa y proteína del lactosuero origina un incremento especialmente alto

del grado de contaminación de las aguas residuales (llegando a superar los 60.000 mg DQO

/ l de lactosuero). Por esta razón hay que evitar el vertido de lactosuero con el resto de las

aguas residuales.

Figura 20: Proceso de corte y desuerado.

Fuente: [PCIL 2002]

53

La composición media del lactosuero se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 9: Composición media del lactosuero procedente de la leche.

Fuente: [Escuela OI Sevilla]

En caso de diferenciar los sueros por su acidez, la composición varía. Esta diferencia es

mostrada en la siguiente tabla:

Tabla 10: Composición del lactosuero ácido y dulce.

Fuente: [Panesar, 2007]

En cualquiera de los dos tipos de lactosuero obtenidos, se estima que por cada kg de queso

se producen 9kg de lactosuero, esto representa cerca del 80-90% del volumen de la leche y

contiene aproximadamente el 55% de sus nutrientes.

54

3.3.2 Moldeo y Prensado

El moldeo consiste en verter, en los moldes preparados para este fin, los trozos de cuajada.

En cuanto al prensado, se aplica para favorecer la expulsión del suero intergranular de la

cuajada y dar al queso su forma definitiva.

Durante el prensado también se produce la salida de lactosuero de la masa del queso,

aunque la cantidad de lactosuero generada en esta etapa es menos que en el desuerado.

Figura 21: Moldeo y Prensado de la cuajada de leche.

Fuente: [PCIL 2002]

3.3.3 Salado

El salado es uno de los factores que más influyen a la hora de darle al queso el sabor

deseado. Además interviene en la regulación del contenido de suero y de la acidez.

En la etapa de salado se produce el consumo de agua para la formación de la salmuera y el

vertido puntual de estas una vez se agotan. En el caso de realizarse esta operación mediante

la aplicación de sal seca sobre la superficie del queso, se producen restos de sal que se

retiran con aguas de limpieza. Esto produce un vertido de elevada conductividad (similar al

vertido de salmuera). En caso de que la sal sea retirada en seco, se produce un residuo.

Figura 22: Proceso de salado de los quesos.

Fuente: [PCIL 2002]

55

En conclusión, el proceso de salado también provoca la emisión de efluentes líquidos,

aunque en este caso con escasa materia orgánica y gran cantidad de sales.

3.3.4 Composición de las aguas residuales

Finalmente se puede decir, que de un modo general, en el proceso de producción de quesos,

la contaminación es de origen orgánico. Esto se traduce en una demanda biológica de

oxígeno (DBO) y una demanda química de oxígeno (DQO). Además, también se presentan

grasas, fósforo y nitrógeno. Por lo tanto, las aguas residuales tendrán, en este caso, la

siguiente composición:

PARÁMETRO QUESOS

pH 6.9

DQO (mg/l) 4500

DBO5 (mg/l) 2750

Sólidos en suspensión 850

Fósforo 35

NTK 100

Conductividad 3150

Cloruros 220

Nitratos 105

Nitritos 35

Aceites y grasas (mg/l) 365

Detergentes 7

Tabla 11: Aguas residuales tras la producción de quesos.


56

3.4 Nata y Mantequilla

Como ya se ha explicado, la nata de consumo se obtiene tras la desodorización y

tratamiento térmico de la nata base. Por otro lado, la mantequilla es un producto de olor y

sabor característicos obtenido tras la maduración de la nata, en la que ésta sufre una serie de

transformaciones bioquímicas. En la siguiente figura se muestra un diagrama de flujo, en el

cual se puede observar como las primeras etapas coinciden en ambos procesos. Por este

motivo se realiza el estudio de los residuos de forma conjunta:

Figura 23: Diagrama de flujo de la conversión de nata en mantequilla.

Fuente: [Guía MTD en España en el sector lácteo]

La elaboración de mantequilla comienza con el tratamiento previo de la nata (pasterización

y desodorización).

Posteriormente se somete a un periodo de maduración, tras el cual la nata se bate para

formar los grumos de mantequilla.

A continuación, se separa la fracción acuosa (mazada o suero de mantequilla) de los granos

de mantequilla, los cuales se someten a un posterior lavado con agua fría o con la propia

mazada.

Finalmente, con el fin de obtener una masa compacta y homogénea en la que el agua esté

uniformemente distribuida, los granos de mantequilla se someten a un amasado. Por último

se realiza el envasado de la mantequilla.

57

3.4.1 Batido y Amasado

En la operación de batido-amasado se produce la generación de la mazada con la que se

eliminan también la mayor parte de los microorganismos presentes en la nata (fermentos

lácticos y otros microorganismos). Si la mazada es eliminada junto con las aguas

residuales generadas en la empresa se produce el aumento de la carga contaminante de esta

agua pudiendo dañar el medio receptor.

Por otra parte, en el lavado se produce el consumo de agua y su vertido posterior con los

restos de mazada.

Figura 24: Batido y amasado de la nata.

Fuente: [PCIL 2002]

La composición química de la mazada es la siguiente:

PARÁMETRO en 100g

Carbohidratos 4.9g

Grasas 3.3g

Proteínas 3.2g

Calcio 115mg

Tabla 12: Composición química de la mazada.

Fuente: [elaboración propia]

Además de la propia mazada, las aguas residuales con restos de mazada, son aguas con un

alto contenido en grasas.

58

3.5 Limpieza de Equipos

La limpieza y desinfección en la industria láctea, al igual que para el resto de los sectores

de fabricación de alimentos y bebidas, es de suma importancia, pues el producto que se

elabora está destinado a consumo humano.

El mantenimiento de las condiciones higiénicas en la empresa láctea exige llevar a

cabo operaciones de limpieza y desinfección de forma continua, pudiendo llegar a suponer

la cuarta parte del tiempo total de trabajo. Estas operaciones pueden llegar a suponer,

dependiendo del tipo de producto lácteo a elaborar, la mayor parte del consumo de agua,

energía y productos químicos de la instalación, así como un considerable volumen de aguas

residuales

Por limpieza se entiende la eliminación total de todos los restos de materia orgánica o

componentes de la leche y otras suciedades visibles. Mientras que mediante la desinfección

se pretende eliminar todos los microorganismos patógenos y la mayoría de los no

patógenos que afectarían la calidad del producto.

La limpieza y la desinfección son dos operaciones que suelen realizarse sucesivamente en

el tiempo, primero limpieza y luego desinfección, empleando detergentes y desinfectantes

por separado. Sin embargo, también pueden realizarse de forma conjunta utilizando

productos de acción combinada.

En cualquier caso, para la realización de las operaciones de limpieza y desinfección es

necesario aportar:

-Agua, que cumple con varias funciones. Entre ellas están: reblandecer y/o disolver la

suciedad adherida a las superficies, la formación de soluciones detergentes y la eliminación

de los restos de soluciones limpiadoras.

-Energía térmica para alcanzar la temperatura óptima del proceso, y energía eléctrica para

hacer circular las soluciones limpiadoras por los equipos y conducciones (Sistemas CIP).

- Productos químicos (detergentes, desinfectantes).

-Personal para llevar a cabo las operaciones de limpieza.

Los medios de limpieza se pueden clasificar en mecánicos o físicos (presión, temperatura,

cepillos, esponjas y escobas) y químicos (productos ácidos y básicos). Normalmente se

utilizan de manera conjunta en la limpieza de equipos e instalaciones.

Los medios físicos se emplean para arrastrar de forma mecánica la suciedad. La utilización

de cepillos, esponjas, etc. suponen un método barato, aunque tienen el inconveniente de

necesitar una limpieza adecuada para no convertirse en una fuente de contaminación.

Los métodos químicos se basan en la utilización de productos químicos, que en la mayoría

de los casos se aplican en forma de disoluciones acuosas de carácter ácido o básico.

Los detergentes alcalinos provocan la emulsión de las grasas, lo que las hace fácilmente

arrastrables, mientras que los productos ácidos, disuelven y eliminan las incrustaciones

formadas por acumulación de las sales de la leche y del agua.

59

Al igual que en el caso de la limpieza, los medios de desinfección pueden ser físicos (como

la temperatura) o químicos (productos desinfectantes). La acción de la temperatura consiste

en aplicar calor, mediante agua caliente, vapor o aire caliente, a las superficies que se

quieren desinfectar.

La mayor parte de los desinfectantes químicos contienen como compuesto germicida

sustancias alcalinas, cloro y oxígeno. Los productos desinfectantes contienen además otras

sustancias como ácidos o bases, inhibidores de la corrosión y formadores de complejos para

mejorar su aplicación industrial.

En función del tipo de suciedad existente en el equipo, superficie o instalación se aplicará el

correspondiente protocolo de limpieza y desinfección en el que se determina el método, los

productos y el manejo del mismo. En la industria láctea la suciedad se debe principalmente

a los componentes de la leche, en su mayor parte grasas y proteínas, por su deposición en

las conducciones y equipos.

Figura 25: Recursos consumidos y residuos generados en la limpieza y desinfección de equipos.

Fuente: [PCIL 2002]

Como consecuencia de las operaciones limpieza se produce el vertido de las aguas de

limpieza y de productos químicos empleados, más la carga orgánica debida al arrastre o

disolución de los restos de producción.

Lo más corriente es que en estos procesos se eliminen restos de componenetes orgánicos de

la leche (gras, proteínas, sales minerales).

A pesar de que la utilización de sistemas de limpieza basados en los medios físicos supone

ahorros en el consumo de agua y una menor generación de vertido, la utilización de

productos de limpieza, por otra parte, produce un mayor volumen de aguas residuales.

En general, existe una gran oscilación en la contribución de la carga orgánica de los

distintos detergentes (entre 30-1.200 mg O2/litro) debido a la diferente composición

química de estos productos. Así podemos encontrar productos alcalinos sin tensioactivos en

el margen inferior y productos tensioactivos detergentes espumantes en el margen superior

de los valores indicados.

60

Figura 26: DOQ de diferentes productos lácteos y detergentes.

Fuente: [PCIL 2002]

Otro aspecto importante en la utilización de productos detergentes es el contenido en

fosfatos y/o nitratos, ya que contribuyen de forma importante en los procesos de

eutrofización de las aguas. Los detergentes tradicionales que contienen ácido fosfórico y

que se emplean en las operaciones de limpieza contienen del 10 al 20% de fósforo, por lo

que su contribución a las aguas residuales debe tenerse en cuenta.

61

3.6 Datos Residuales

Tras todo este estudio, se puede concluir que el problema medioambiental más importante

de la industria láctea es la generación de aguas residuales, tanto por su volumen como por

la carga contaminante asociada. En cuanto al volumen de aguas residuales generado por

una empresa láctea se pueden encontrar valores que oscilan entre 2 y 6 L/L de leche

procesada.

Volumen de aguas residuales en función del proceso productivo

Actividad Principal Volumen de Aguas Residuales*

Fabricación de Mantequilla 1.0 - 3.0

Fabricación de Queso 2.0 - 4.0

Fabricación Leche de Consumo 2.5 - 9.0

Tabla 13: Volumen de aguas residuales en función del proceso productivo.


* Expresado en litros de aguas residuales/litro de leche

Valoración cualitativa del vertido de aguas residuales en la industria láctea

Tabla 14: Valoración cuantitativa del vertido de aguas residuales en la industria láctea.

Fuente: [PCIL 2002]

62

Composición de las aguas residuales de la industria láctea:

ppm

CONSTITUYENTE RANGO MEDIA

DBO5 450-4800 1885

DQO5

Sólidos en Suspensión 24-5700 1500

Sólidos Totales 135-8500 2400

pH 5.3-9.4

Grasa 35-500 209

Proteinas 210-560 350

Carbohidratos 252-931 522

Fósforo 11-160 50

Tabla 15: Composición de las aguas residuales de la industria láctea.


En conclusión, la industria de derivados lácteos genera una gran cantidad de aguas

residuales con una alta cantidad de residuos orgánicos. Estos residuos pueden ser

sometidos a un tratamiento biológico para su aprovechamiento mediante un reactor

anaerobio. Al existir gran variedad de reatores, será preciso escoger cual es el más

adecuado para esta operación.

63

4 CAPÍTULO IV: Digestión Anaerobia. Procesos y Reactores.

4.1 Digestión anaerobia de residuos. La digestión anaerobia es un proceso biológico en el que la materia en ausencia de oxígeno, y

mediante la acción de un grupo de bacterias específicas, se descompone en productos gaseosos

o “biogás” (CH4, CO2, S, etc.),y en digestato, que es una mezcla de productos minerales (N, P,

K, Ca, etc.) y compuestos de difícil degradación.

El biogás contiene un alto porcentaje en metano, CH4 (entre 50-70%), por lo que es susceptible

de un aprovechamiento energético mediante su combustión en motores, en turbinas o en

calderas, bien sólo o mezclado con otro combustible.

El proceso controlado de digestión anaerobia es uno de los más idóneos para la reducción de

emisiones de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de los residuos orgánicos y el

mantenimiento y mejora del valor fertilizante de los productos tratados.

La digestión anaerobia puede aplicarse, entre otros, a residuos ganaderos, agrícolas, así como a

los residuos de las industrias de transformación de dichos productos. Entre los residuos se

pueden citar purines, estiércol, residuos agrícolas o excedentes de cosechas, etc. Estos residuos

se pueden tratar de forma independiente o juntos, mediante lo que se llama co-digestión.

La digestión anaerobia también es un proceso adecuado para el tratamiento de aguas residuales

de alta carga orgánica, como las producidas en la industria de derivados lácteos.

Existen muchos beneficios asociados a la digestión anaerobia, estos son:

- reducción significativa de malos olores

- mineralización

- producción de energía renovable

- reducción de emisión de gases de efecto invernadero

Figura 27: Proceso de digestión anaerobia y de generación de calor y electricidad a partir de residuos orgánicos.

Fuente: [Digestor Biomasa. Ministerio de Industria, Turismo y Comercio]

64

4.1.1 Comparación con tratamientos aerobios

Ventajas:

- Bajo consumo de energía.

-Al tratarse de un tratamiento anaerobio, no se requiere aporte de O2.

-Posibilidad de recuperar y utilizar CH4 como combustible.

-El lodo obtenido es un lodo estabilizado

Inconvenientes:

-Largo período de arranque si no se utiliza inóculo (4-6 meses).

-Es un proceso sensible a una variación de condiciones ambientales.

-Menos eficiencia en remoción de MO (aproximadamente un 80%).

4.1.2 Etapas de la digestión anaerobia

La digestión anaerobia es el proceso en el cual microorganismos descomponen material

biodegradable en ausencia de oxígeno. El propósito de este proceso es el aprovechamiento

de los gases generados en esta operación. Se producen una gran variedad de gases, siendo

los más abundantes el dióxido de carbono y el metano. En biodigestores, estos gases son

aprovechados para utilizarlos como combustible.

La intensidad y duración del proceso anaeróbico varían dependiendo de diversos factores,

entre los que se destacan la temperatura y el pH del material biodegradado

La digestión anaerobia es un proceso que consta de 4 etapas. Hidrólisis, acidogénesis,

acetogénesis y metanogénesis.

Figura 28: Etapas de la digestión anaerobia.

Fuente: [agrowaste.eu]

65

4.1.2.1 Hidrólisis

En esta primera etapa, el propósito es transformar los compuestos más complejos en

material disuelto más simple. Esto se logra a través de enzimas producidas por bacterias

fermentativas.

Figura 29: Proceso de Hidrólisis.

Fuente: [Elaboración Propia]

4.1.2.2 Acidogénesis

Tras la creación de material más simple, se lleva a cabo la acidogénesis. En esta segunda

etapa, los productos solubles son convertidos en ácidos grasos volátiles, CO2, H2, H2S, etc.

Esto se produce por la acción de las bacterias fermentativas acidogénicas

.

Figura 30: Proceso de Acidogénesis.


66

4.1.2.3 Acetogénesis

Los ácidos orgánicos generado, son transformados en esta etapa en sustrato para las

bacterias metanogénicas.

.

Figura 31: Proceso de Acetogénesis.


4.1.2.4 Metanogénesis

Por último, se produce gas metano a partir del acetato generado previamente (bacterias

metanogénicas acetoclásticas) y de H2S y CO2 (bacterias metanogénicas hidrogenotróficas).

Figura 32: Proceso de Metanogénesis.


67

4.1.3 Requisitos Ambientales

A diferencia de los procesos aerobios, los procesos anaerobios precisan una serie de

requisitos medioambientales. Estos factores son necesarios para que pueda desarrollarse el

proceso de manera satisfactoria.

pH y alcalinidad:

El pH debe mantenerse próximo a la neutralidad, pudiendo tener fluctuaciones entre 6.5

y 7.5. Su valor en el digestor no sólo determina la producción de biogás, sino también su

composición. Por otra parte, la alcalinidad, que es una medida de la capacidad tampón

del medio, se recomienda que no sobrepase valores de 0.3-0.4 para evitar la acidificación

del reactor.

Nutrientes:

Se requiere unos valores de nutrientes que aseguren el crecimiento de microorganismos.

Para ello es necesaria la presencia de macronutrientes (N, P, S) y micronutrientes (Fe,

Zn, etc.) en proporciones adecuadas. Estos elementos se encuentran presentes en el

líquido residual doméstico.

Una de las ventajas inherentes al proceso de digestión anaerobia es su baja necesidad de

nutrientes como consecuencia de su pequeña velocidad de crecimiento. El carbono y el

nitrógeno son las fuentes principales de alimentos de las bacterias formadores de

metano. Por lo tanto, la relación Carbono/Nitrógeno tiene una gran importancia para el

proceso fermentativo, recomendándose un ratio 20-30 como el óptimo.

Temperatura

A medida que aumenta la temperatura, aumenta con ella la velocidad de crecimiento de

los microorganismos y se acelera el proceso de digestión dando lugar a mayores

producciones de biogás. La temperatura de operación en el digestor, está considerada

uno de los principales parámetros de diseño, ya que variaciones bruscas de temperatura

en el mismo podría provocar una desestabilización en el proceso.

En cuanto a la temperatura se distinguen dos rangos fundamentalmente, el rango

mesófilo (25-45ºC) y el rango termófilo (50-55ºC). El primero es el más común a pesar

de que el termófilo se está utilizando cada vez más para lograr una mayor velocidad del

proceso, y por tanto una mejor eliminación de organismos patógenos. Sin embargo, el

rango termófilo suele ser más inestable ante los cambios en las condiciones de operación

y presenta además problemas de inhibición del proceso por la sensibilidad a compuestos

concretos como el amoniaco.

68

4.2 Reactores Anaerobios

Existen dos grandes grupos de reactores anaerobios para el tratamiento de aguas residuales.

Estos grupos difieren en el tipo de crecimiento microbiano.

Los reactores anaerobios pueden ser utilizados para tratar efluentes domésticos o industriales

con altas cargas orgánicas. En este caso, la industria de derivados lácteos genera una gran

cantidad de aguas residuales con alta carga orgánica, por lo que la utilización de un reactor

anaerobio parece algo adecuado.

Estos reactores, pueden utilizarse solos o con unidades de pos-tratamiento con el propósito de

producir un efluente final adecuado para su disposición final.

Reactores según el tipo de crecimiento bacteriano

1.- Reactores de lecho fijo.

2.- Reactores de crecimiento libre o suspendido.

En los primeros, la biomasa está constituida por bacterias formando una película sobre un

soporte fijo, mientras que en los segundo dependen de que los microorganismos formen

gránulos o flóculos en el reactor. Las bacterias que crecen en suspensión deben formar

estructuras que las permitan permanecer en el reactor y no ser lavadas con el efluente, y por lo

tanto, la eficacia del proceso dependerá en gran parte de la capacidad del inóculo

(lodos/residuos) para formarlas.

69

4.2.1 Reactores de lecho fijo

Los tipos de reactores de lecho fijo más comunes son los filtros anaerobios (AF),

los biodiscos (ARBC), los reactores de contacto con soporte (CASBER) y los

reactores de lecho fluido y lecho expandido (FB/EB).

La forma genérica de un reactor de lecho fijo sería esta:

Figura 33: Reactor genérico de lecho fijo.

Fuente: [Digestor Biomasa. Ministerio de Industria, Turismo y Comercio]

70

4.2.1.1 Filtros Anaerobios (AF)

Estos reactores son , en general, indicados para el tratamiento de aguas

residuales con bajo contenido de sustancias solidas, o para sistemas de

tratamiento que cuenten con unidades de retención de sólidos aguas

arriba, como podría ser una fosa séptica.

El flujo puede llevar tanto un sentido ascendente como descendente. Su

funcionamiento se basa en un manto de material inerte que sirve como

soporte para microorganismos, que van formando una capa de biomasa

adherida. Parte de los microorganismos quedan retenidos en los

intersticios de dicho manto. Así, el flujo de líquido por los intersticios del

manto genera la mezcla y el contacto afluente-biomasa.

Figura 34: Filtro Anaerobio (AF).

Fuente: [Curso Tratamiento Aguas Residuales, 2002]

71

4.2.1.2 Biodiscos (ARBC)

Se trata de una serie de discos instalados de forma paralela, centradas en un eje

giratorio accionado por un motor externo. La biomasa se adhiere a los discos de

material poroso. Estos discos se mantendrán sumergidos y el reactor será cerrado.

En cuanto a la velocidad de rotación, se debe permitir la adherencia de biomasa

en los discos y a la vez el desprendimiento de biomasa retenida en los mismos.

La mezcla ocurre por el propio flujo hidráulico de movimiento de los discos. El

líquido ingresa por un extremo inferior y sale por el extremo opuesto superior.

Tras el reactor, es necesario instalar un sedimentador secundario que se encargue

de realizar la decantación de los lodos que son expulsados por el efluente.

En resumen, en este reactor los microorganismos están unidos a un soporte ligero

formando una película. El soporte, constituido por una serie de discos paralelos,

se encuentra totalmente sumergido y gira lentamente sobre un eje horizontal

dentro del tanque cerrado por el que fluye el medio a tratar.

Este tipo de reactor tiene la siguiente forma:

Figura 35: Biodiscos (ARBC)


72

4.2.1.3 Reactores de contacto con soporte (CASBER)

Se trata de un proceso idéntico al de contacto interno, que se trata más adelante

en el punto 4.4.2.2. La diferencia principal es que en este caso se incorpora un

material inerte en el digestor.

La adición de material de soporte es extremadamente limitada en comparación

con la cantidad usada comúnmente en, por ejemplo, los reactores de lecho

fluizado.

Las partículas utilizadas suelen tener un diámetro entre 5 y 25mm, tienen una baja

velocidad de sedimentación y, por lo tanto, pueden mantenerse en suspensión con

un bajo grado de agitación. Un pequeño porcentaje de bacterias es soportada en

estas partículas, que puede ser arenas, plásticos, etc., mientras que un porcentaje

sustancial de la biomasa activa permanece como flóculos en suspensión.

Igual que en el caso de contacto interno, la fase principal del proceso es la

separación líquido/sólido.

En este proceso, los parámetros típicos de operación son:

- Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 4 - 25.

- Concentración en el interior (g SSV/l): 5 - 15.

- Concentración en el efluente (g SS/l): 0,5 - 10.

- Tiempo de retención hidráulico (d): 0,25 - 2.

- Tiempo de arranque (d): 20 - 60.

Este proceso es especialmente adecuado para aguas residuales con alta carga de

residuos fácilmente hidrolizables, como los de la industria alimentaria.

Figura 36: Reactor de contacto con soporte.

Fuente: [biorreactoresbiologicos.blogspot.com]

73

4.2.1.4 Reactores de lecho fluido y lecho expandido (FB/EB)

Técnicamente, un reactor FEB es una estructura cilíndrica, empaquetada hasta un

10% del volumen del reactor con un soporte inerte de pequeño tamaño lo que

permite la acumulación de elevadas concentraciones de biomasa que forman

películas alrededor de dichas partículas. La expansión del lecho tiene lugar

gracias al flujo vertical generado por un elevado grado de recirculación. La

velocidad ascensional es tal que el lecho se expande hasta un punto en el que la

fuerza gravitacional de descenso es igual a la de fricción por arrastre.

Aunque los reactores de lecho fluidizado se han empleado durante mucho tiempo

en diferentes procesos de Ingeniería Química, su mayor aplicación ha sido en

procesos de combustión, donde el contacto gas - sólido es muy importante.

Los reactores de lecho fluidizado están constituidos por un lecho de partículas de

pequeño tamaño (0.2 - 2.0 mm de diámetro), generalmente arena. Éste se halla

empacado dentro de una columna a través de la cual el líquido pasa en forma

ascendente. El líquido fluye con una velocidad suficiente para mantener las

partículas en constante movimiento, pero ajustada para evitar que salga en el

efluente. La expansión del lecho está controlada por la velocidad del flujo y la

cantidad de efluente recirculado. Las partículas del lecho son el soporte de los

microorganismos, suministrando una gran área superficial (3.000m2/m3 para

lecho de arena) al desarrollo de una película con alta concentración de biomasa.

Su grosor está controlado por la capacidad de regeneración del lecho. el tamaño y

densidad del medio. y la velocidad de flujo vertical.

Tras numerosas pruebas, este sistema ha resultado ser una buena alternativa de

tratamiento, tanto para residuos con alta carga orgánica como para residuos

diluidos o aguas residuales domésticas Sin embargo, lograr un adecuado sistema

de distribución de líquido, con los altos costos que esto implica y el bajo

rendimiento enérgico, hace que se prefieran otros sistemas. Hasta el momento una

planta de lecho fluidizado está siendo construida en los Estados Unidos.

Los parámetros típicos de operación de este proceso son:



- Concentración en el efluente (g SS/l): 0 - 5.

- Tiempo de retención hidráulico (h): 1 - 10.


La mayor parte de las ventajas atribuibles a este sistema derivan de la elevada

concentración de biomasa activa sobre diminutas partículas de soporte, las

elevadas tasas de recirculación, el máximo contacto entre la biopelícula y el

líquido a tratar, y la minimización de los problemas de la difusión.

74

Una representación de un reactor de lecho expandido o fluidificado puede ser

esta:

.Figura 37: Reactor genérico de lecho fluido y lecho expandido.


75

4.2.2 Reactores de crecimiento libre o suspendido.

En este caso, los microorganismos se adhieren y agregan unos a otros formando flóculos o

gránulos que se mantienen suspendidos en el reactor debido a las condiciones hidráulicas.

Los reactores más importantes de este tipo son: de mezcla completa (CSTR), de contacto

(ACP), de flujo ascendente con leche/manto de lodos (UASB), por lotes en serie (ASBR) y

el reactor anaerobio con deflectores (ABR).

4.2.2.1 Reactor de mezcla completa (CSTR)

Se trata del digestor anaerobio más simple que hay. Se trata de un reactor

relativamente simple, calentado, de mezcla completa y sin recirculación de parte

del influente digerido. En este caso, el TRH es también igual al TRS.

Para un tratamiento efectivo del influente, este tipo de reactores requiere largos

TRH, ya que carecen de medios específicos de retención de la biomasa activa.

Con la reducción del TRH en un digestor de mezcla completa, la cantidad de

microorganismos dentro del digestor también disminuye, ya que son lavados con

el efluente. El tiempo de retención hidráulico crítico (TRC) se alcanza cuando las

bacterias son extraídas del reactor a una velocidad mayor a la que éstas se

reproducen. Dado que las bacterias formadoras de metano son de más lento

crecimiento que las bacterias formadoras de ácidos, las primeras son consideradas

como el componente limitante en el proceso de digestión anaerobia. Necesitan

largos TRS (y, por lo tanto, largos TRH), con valores mínimos alrededor de 3 a 5

días a 35 ºC. Para asegurar el funcionamiento del proceso, los TRH suelen variar

entre 10 y 30 días a 35 ºC.

Las características operacionales de este proceso son:




- Tiempo de retención hidráulico (d): 10 - 30.


76

Estos reactores se aplican, básicamente, en el tratamiento de fangos de aguas

residuales urbanas, y de influentes con estiércoles y aquellos provenientes de

actividades agrícolas o agroindustriales.

Figura 38: Reactor de mezcla completa (CSTR).

Fuente: [biodisol.com]

77

4.2.2.2 Reactor de contacto (ACP)

Se trata de un reactor de mezcla completa y un posterior decantador para separar

sólidos de líquidos, lo que permite reciclado de parte de la biomasa. Fue

desarrollado para tratar aguas residuales con tiempos de retención cortos y edades

de lodos prolongadas. Su uso principal es en aguas residuales industriales. Estas a

diferencia de las urbanas, no contienen generalmente una alta proporción de

microorganismos.

Parte del lodo digerido y sedimentado se recircula al digestor, donde se mezcla

con el influente no digerido. La reinoculación de una biomasa bien aclimatada

permite mantener óptimas condiciones de funcionamiento del proceso.

En este proceso la operación esencial es la separación sólido/líquido, lo cual

ofrece serios problemas, dadas las características de este tipo de lodos, y el

continuo desprendimiento de burbujas de gas que dificulta enormemente el

proceso de separación, por lo que hay que recurrir previamente a sistemas de

desgasificación.

El uso de la técnica de stripping o el enfriamiento del influente digerido en su

camino hacia el clarificador puede disminuir este problema. Una reducción en la

temperatura de 35 a 15 ºC detiene la producción de gas en el clarificador y

favorece la floculación de los sólidos. Esto último también puede conseguirse

mediante el uso de coagulantes, tales como el hidróxido sódico seguido de cloruro

férrico. También se utilizan membranas de ultrafiltración para conseguir una alta

retención celular.

Los parámetros típicos de operación de este proceso son:



- Concentración en el efluente (g SS/l): 0,5 - 20.

- Tiempo de retención hidráulico (d): 1 - 5.


En el Reactor de contacto (ACP), existen unas ventajas y desventajas:

Ventajas:

- Bajos costos de inversión y operación.

- Producción de una fuente de energía que puede servir calentar el agua residual

hasta la temperatura de operación.

- Necesidad de espacio relativamente pequeño para las instalaciones debido a la

aplicación de altas velocidades de carga orgánica.

- Baja producción de lodo en exceso.

78

Desventajas:

Algunas posibles desventajas de la tecnología del reactor de contacto que en

ocasiones pueden conducir a la elección de otro tipo de tratamiento, son:

- Insuficiente generación de acidez y metano cuando se depuran aguas residuales

muy diluidas.

-Cinética lenta a bajas temperaturas.

Por lo tanto, la recomendación sobre el uso de este reactor es meterlo con carga

orgánica y carga hidráulica relativamente constante, para evitar problemas

operacionales.

79

4.2.2.3 Reactor de flujo ascendente con lecho/manto de lodos (UASB)

La innovación técnica de este tipo de reactores reside en un dispositivo situado en

la parte superior del reactor (separador de tres fases- GSS) que permite separar

internamente la biomasa, el efluente tratado y el biogás. Con ello se consigue

acumular grandes cantidades de biomasa - muy activa - que adopta la estructura

de gránulos compactos con una elevada capacidad de sedimentación. Es el más

extendido a escala industrial.

La abreviación U. A. S. B. se define como Upflow Anaerobic Sludge Blanquet o

Reactor Anaerobio de Manto de Lodos de Flujo Ascendente. Esta tecnología

proveniente de Bélgica y Holanda, es aplicada especialmente al tratamiento de

aguas residuales con alto contenido de materia orgánica.

El diseño de un reactor UASB consiste en una zona de reacción en la parte

inferior, en la que se acumula la biomasa, la de mejor sedimentabilidad en el

fondo y encima los lodos más ligeros.

La operación de los reactores UASB se basa en la actividad autorregulada de

diferentes grupos de bacterias que degradan la materia orgánica y se desarrollan

en forma interactiva, formando un lodo o barro biológicamente activo en el

reactor.

Dichos grupos bacterianos establecen entre sí relaciones simbióticas de alta

eficiencia metabólica bajo la forma de gránulos cuya densidad les permite

sedimentar en el digestor. La biomasa permanece en el reactor sin necesidad de

soporte adicional. Una de las ventajas del tratamiento anaeróbico sobre el

tratamiento aeróbico es la producción de gas metano como fuente energética y la

baja producción de lodo biológico.

El tratamiento de aguas residuales con reactores tipo U.A.S.B. es el más

difundido en América Latina desde 1988. Estos reactores reemplazaron de cierta

forma en las plantas de tratamiento aerobio a los sedimentadores primarios,

sedimentadores secundarios, biodigestores para el tratamiento de lodos y gran

parte de los sistemas de lodos activados, pues logran eficiencias de remoción

comprendidas entre el 60 y 80% de la DQO y la DBO en función de la

concentración inicial del agua residual.

Los U.A.S.B. funcionan como tratamiento primario, tratamiento secundario, pero

no llegan a eficiencias de remoción superiores al 82%.Para lograrlo, deben ser

complementados por sistemas aerobios tradicionales como lodos activados, filtros

percoladores o lagunas.

El reactor UASB está siendo experimentado con éxito en el tratamiento de aguas

residuales muy diversas de procesos de la industria de alimentos, industriales,

urbanas y lixiviados, aunque inicialmente se desarrolló para aguas residuales de

tipos principalmente solubles y de concentración media. El tratamiento anaerobio

se recomienda para el lixiviado con una relación de DBO/DQO entre 0,7 y 0,3

(residuos parcialmente estabilizados).

80

El afluente es alimentado por el fondo del reactor, donde se pone en contacto con

el lodo; la degradación anaerobia de los sustratos orgánicos ocurre en el lecho del

lodo, y allí se produce el biogás, o sea, tanto la acidificación como la

metanogénesis ocurren en el mismo reactor.

El flujo combinado ascendente de las aguas residuales, puede hacer que algunos

de los sólidos del lodo lleguen a la parte superior del reactor, donde un separador

gas-sólido-líquido, impide la salida de los sólidos del reactor separándolos del gas

producido y del efluente líquido. El biogás es captado bajo una campana y

conducido hacia la superficie del reactor. Algunos sólidos son arrastrados con el

agua hacia el sedimentador, situado encima de la campana de gas, donde los

sólidos sedimentan y retornan al manto de lodos, el efluente cae a un canal

situado en la parte superior del reactor, donde es descargado. Las grandes

concentraciones de biomasa con elevada actividad que se consiguen, permiten el

funcionamiento a alta carga orgánica con buenas eficacias de eliminación.

La biomasa activa puede estar en forma de gránulos compactos o en forma de

lodos floculentos con buena sedimentabilidad lo cual convierte en su

característica principal la retención de la biomasa sin necesidad de soporte.

Figura 39: Esquema básico de un reactor de flujo ascendente UASB.

Fuente: [tecnologiaslimpias.org]

http://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/313101/images/image330.GIF

81

Otras características son:

- Mayor superficie para la adhesión de Microorganismos.

- Mayor concentración de bacterias que en otros sistemas, lo cual permite operar

con velocidades de carga orgánica más elevadas.

- Minimización de problemas de colmatación por sólidos.

- Elevada velocidad de transferencia de materia, que facilita el tratamiento de

aguas con un alto contenido de materia orgánica.

- Pérdida de presión en el lecho moderada.

- Concentración de lodos volátiles en la fuente moderada.

Ventajas:

- Baja producción de lodos (10% en relación al tratamiento aerobio).

- Bajos requerimientos nutricionales.

- El proceso puede manejarse con altas cargas intermitentes. Los lodos se

conservan (sin alimentación) por largos períodos de tiempo. Producción de

metano aprovechable.

- Bajos costos de operación al no requerir oxígeno.

- Identificación y medición de productos intermedios que proporcionan

parámetros de control adicionales.

- Costo de inversión bajo.

- La fermentación ácida y metánica, así como la sedimentación tienen lugar en el

mismo tanque, por lo cual las plantas son muy compactas.

- Como no hay relleno, se reduce la posibilidad de cortos circuitos,

obstrucciones y puntos muertos.

- El consumo de potencia es bajo, puesto que el sistema no requiere ninguna

agitación mecánica.

- La retención de biomasa es muy buena y por eso no es necesario reciclar el

lodo.

82

Desventajas:

- Las bacterias anaerobias (particularmente las metanogénicas) se inhiben por un

gran número de compuestos.

- El arranque del proceso es lento.

- Su aplicación debe ser monitoreada.

- Puede requerir un pulimiento posterior de su efluente.

- Generación de malos olores si no es eficazmente controlado.

Las características operacionales de este proceso son:


- Tiempo de retención hidráulico (d): 0,2 - 2.

- Concentración media en el interior (g SSV/l): 20 - 40.



- Velocidad vertical ascendente (m/h): 0,6 - 0,9.

Las elevadas cargas orgánicas que admite este tipo de reactores hace que se hayan

empleado de manera efectiva en el tratamiento de aguas residuales procedentes de

la industria alimentaria, donde la carga de residuos orgánicos es muy alta.

83

Explicación gráfica

En la zona superior, hay un

separador de gases-sólido-líquido,

que ayuda a retener el lodo dentro

del reactor.

Sobre el separador se ubica el

sedimentador donde el lodo

sedimenta y vuelve al

compartimento de digestión.

El sistema es automezclado por el

movimiento ascendente de las

burbujas de gas y del flujo de

líquido a través del reactor.

En general, el tiempo de retención

celular es de más de 30 días, por lo

que el lodo excedente descartado

ya se encontrará estabilizado.

Figura 40: Esquema básico de un reactor de flujo ascendente UASB.


84

4.2.2.4 Reactor anaerobio por lotes en serie (ASBR)

Los reactores ASBR (anaerobic sequencing batch reactor) como su nombre lo

indica, funcionan mediante lotes secuenciales y han sido estudiados como una

alternativa de tratamiento a los sistemas continuos debido a la versatilidad de su

operación. La operación típica de un reactor ASBR, está compuesta por cuatro

etapas:

1.- Alimentación.

2.- Reacción.

3.- Sedimentación.

4.- Descarga.

Figura 41: Etapas de operación de un reactor tipo ASBR.

Fuente: [biorreactoresbiologicos.blogspot.com.es]

Durante la alimentación, el agua residual a tratar con presencia de materia

orgánica, es introducida al reactor en un periodo de tiempo relativamente corto.

En la fase de reacción hay una variación en la concentración de los componentes

constituyentes, mostrando picos de concentración de los compuestos intermedios

y producción de biogás. Este paso es el más importante y puede corresponder

hasta un 80% o más de la duración total del ciclo.

La fase de sedimentación corresponde a la separación sólido-líquido la que es

llevada a cabo en el interior del reactor, por lo que no se requiere de una unidad

de separación adicional, dado que la utilización de biomasa granular en el reactor

favorece el proceso de sedimentación. Cabe destacar, que las características de

sedimentación de la biomasa utilizada son muy importantes para el correcto

desarrollo de ésta etapa para evitar el lavado de la biomasa durante la descarga.

Debido a las características de las diferentes etapas involucradas en la operación

de reactores de tipo ASBR, es importante mencionar algunos aspectos

fundamentales para un adecuado funcionamiento. Uno de ellos corresponde a las

distintas estrategias de alimentación que pueden ser implementadas de acuerdo a

los requerimientos del residuo a tratar. Se han implementado comúnmente dos

estrategias que corresponden a alimentación por lote y por lote alimentado, ésta

última implementada principalmente cuando se trata algún compuesto que

85

presenta características inhibitorias a los microorganismos encargados de la

degradación.

Otro aspecto operacional que es importante destacar corresponde al mecanismo

de agitación. La importancia de la agitación se debe a que proporciona un

adecuado contacto entre el sustrato y los microorganismos en la fase de reacción.

Si bien, esto es un factor importante, una fuerte y excesiva agitación, puede

causar daños en la biomasa granular disminuyendo la eficiencia de separación.

Los caminos para producir este movimiento, en el caso se reactores de tipo

ASBR, corresponde a la recirculación del flujo de biogás producido en el reactor

(no aplicables para el tratamiento de aguas de baja carga por el poco biogás

producido), recirculación de líquido o sistemas mecánicos de recirculación.

El tiempo de residencia hidráulico equivalente es otro factor a considerar y es

proporcional a la duración de cada ciclo. Éste depende, a su vez, de las

características del agua residual y de la carga orgánica a eliminar, entre otros

aspectos.

Aplicaciones de reactores ASBR:

Los reactores de tipo ASBR han presentado una gran versatilidad para el

tratamiento de distintos tipos de aguas residuales, las cuales pueden contener una

variedad de compuestos con diferentes características. Algunos de los reportes

registrados a escala laboratorio de diferentes aplicaciones de reactores ASBR, se

presentan a continuación:

-Tratamiento aguas residuales sintéticas con fenol en reactores ASBR.

- Tratamiento de aguas residuales provenientes de la automotriz en un reactor

ASBR.

- Tratamiento de aguas residuales provenientes de la industria cervecera,

utilizando biomasa granular.

- Tratamiento de lodos porcinos diluidos.

- Tratamiento de aguas residuales porcinas a temperaturas psicrófilas (20°C).

- Tratamiento de lixiviado de vertedero.

Un interesante estudio en este tipo de reactores ASBR de acuerdo a la flexibilidad

de operación y a las ventajas cinéticas que presenta, corresponde a evaluar su

comportamiento no solo desde el punto de vista operacional, sino que también

poblacional, ante la presencia de diferentes efectores negativos que se puedan

presentar durante su funcionamiento. Este es el caso de tratamientos de

compuestos de difícil degradación presentes en diferentes tipos de aguas

residuales, que en la mayoría de los casos, son compuestos que generen ciertas

características inhibitorias sobre los microorganismos encargados de la

degradación de la materia orgánica. Otro efector negativo que puede afectar su

comportamiento, es a la variación de parámetros operacionales como es el caso de

la temperatura.

86

4.2.2.5 Reactor anaerobio con deflectores (ABR)

Conceptualmente se podría considerar como una serie de reactores UASB

conectados en serie. Está formado por un único tanque con una serie de

deflectores o paneles internos verticales que fuerzan el paso del agua entre ellos.

Figura 42: Esquema de un reactor anaerobio con deflectores (ABR).

Fuente: [alianzaporelagua.org]

La mayoría de los sólidos de sedimentación son eliminados en la cámara de

sedimentación en el inicio del ABR, que normalmente representa el 50% del

volumen total. Las cámaras de flujo ascendente proporcionan eliminación

adicional y digestión de la materia orgánica: la DBO puede reducirse hasta un

90%, lo cual es muy superior a la fosa séptica convencional. Al irse acumulando

los lodos, se requiere el desazolve cada 2 o 3 años. Los parámetros críticos de

diseño incluyen un tiempo de retención hidráulica (TRH) entre 48 y 72 horas,

velocidad de flujo ascendente de las aguas residuales de menos de 0.6 m/h y el

número de cámaras de flujo ascendente (2 a 3).

Ventajas:

- Resistente a cargas de choque orgánicas e hidráulicas.

- No requiere energía eléctrica.

- Se pueden manejar las aguas grises simultáneamente.

- Puede ser construido y reparado con materiales disponibles localmente.

- Larga vida útil.

- No hay problemas con moscas ni olores si es usada correctamente.

- Alta reducción de materiales orgánicos.

- Costos de capital moderados, costos de operación moderados dependiendo del

vaciado; puede ser de bajo costo dependiendo del número de usuarios.

http://www.alianzaporelagua.org/Compendio/images/tecnologias/tec_s/tec_s10.jpg

87

Desventajas:

- Requiere una fuente constante de agua.

- El efluente requiere tratamiento secundario y/o descarga adecuada.

- Baja eliminación de patógenos.

- Requiere diseño y construcción por expertos.

- Se requiere pre tratamiento para prevenir las obstrucciones.

Esta tecnología es fácilmente adaptable y se puede aplicar a nivel vivienda o para

un vecindario pequeño. Se puede diseñar un ABR para una sola vivienda o para

un grupo de viviendas que usan una considerable cantidad de agua para lavado de

ropa, baño y retretes de tanque. Es más adecuado si el uso de agua y el suministro

de aguas residuales son relativamente constantes.

Esta tecnología es también apropiada para áreas donde el terreno puede estar

limitado ya que el tanque es instalado bajo tierra y requiere poca área. No se debe

instalar donde haya un alto nivel freático ya que la infiltración puede afectar la

eficiencia del tratamiento y contaminar los acuíferos.

Los flujos típicos de entrada varían entre 2,000 a 200,000 L/día. El ABR no opera

a toda su capacidad por varios meses después de la instalación debido al largo

tiempo de arranque requerido por la digestión anaeróbica de los lodos. Por lo

tanto, la tecnología ABR no se debe usar cuando la necesidad de un sistema de

tratamiento sea inmediata. Para ayudar al inicio más rápido del ABR, se le puede

‘plantar’ lodo activado de manera que bacterias activas puedan empezar a trabajar

y multiplicarse inmediatamente. Como el ABR se debe desazolvar regularmente,

un camión de vacío debe tener acceso a la ubicación. Los ABR pueden ser

instalados en todo tipo de clima aunque la eficiencia se reduce en climas más

fríos.

Aunque la eliminación de patógenos no es alta, el ABR está contenido, así que los

usuarios no entran en contacto con las aguas residuales o con patógenos que

provocan enfermedades. El efluente y los lodos se deben manejar con cuidado ya

que contienen altos niveles de organismos patógenos. Para prevenir la liberación

de gases potencialmente dañinos, el tanque debe tener ventilación.

Los tanques ABR deben ser revisados para asegurar que son impermeables y se

deben monitorear los niveles de espuma y lodos para asegurar el buen

funcionamiento. Dado lo delicado de la ecología, se debe tener cuidado de no

descargar productos químicos en el ABR. Los lodos deben ser sacados

anualmente usando un camión de vacío para asegurar el buen funcionamiento del

ABR.

88

5 CAPÍTULO V: Comparativa de procesos y reactores. Elección reactor.

5.1 Digestión Anaerobia

5.1.1 Tratamiento anaerobio frente a tratamiento aerobio

Los reactores anaerobios pueden ser utilizados para tratar efluentes domésticos o industriales con

altas cargas orgánicas. No se puede olvidar que las aguas residuales provenientes de la industria

alimentaria presentan una carga orgánica muy alta, por lo que parece que este tipo de tratamiento

será el más adecuado. Además cabe destacar que pueden utilizarse solos pero también con unidades

de post-tratamiento para producir un efluente final adecuado para su disposición final, algo que ya

se vio anteriormente.

A pesar de que el tratamiento anaerobio parece que es el más ventajoso para tratar este tipo de

residuos, se puede observar en la siguiente tabla sus ventajas frente a sus inconvenientes:

VENTAJAS INCONVENIENTES

Bajo consumo de energía; no se requiere O2 Largo periodo de arranque si no se utiliza inóculo

(4-6 meses)

Posibilidad de recuperar y utilizar CH4 como

combustible

Sensibilidad a variación de condiciones

ambientales

El lodo obtenido es un lodo ya estabilizado Menor eficiencia en remoción de MO

(aprox. 80%)

Tabla 16: Ventajas e Inconvenientes del tratamiento anaerobio.


A pesar de encontrarnos una serie de inconvenientes, estos pueden ser minimizados con una serie de

prevenciones, lo que resulta claro es que las ventajas son lo suficientemente determinantes como

para que resulte lógico la elección de un reactor de este tipo.

El hecho de que la energía necesaria para la operación de los sistemas anaerobios es mínima

comparada con los sistemas convencionales de tratamiento aerobio es una razón más que

determinante para elegir este tipo de digestión. Pero sin duda, la capacidad de aprovechar el gas

metano generado para producir energía en la planta de tratamiento es también una gran ventaja.

Además esta instalación ocupa un espacio relativamente pequeño debido a la aplicación de altas

velocidades de carga orgánica.

89

Además de observar las ventajas que presenta este tipo de digestión, es interesante observar una

comparación con los sistemas de tratamiento aerobios para justificar aun más la elección. Esta

comparativa se ve plasmada en la siguiente tabla comparativa:

DESCRIPCIÓN SISTEMA ANAEROBIO SISTEMA AEROBIO

Área requerida Pequeña Grande

Localización de las unidades Superficiales o enterradas Superficiales

Eficiencia de remoción de la

DBO5 Mayor del 90% Mayor del 90%

Producción y manejo de lodos Anual Diario

Tratamiento posterior para

estabilizar los lodos NO SI

Presencia permanente de un

operador especializado NO SI

Incluyen equipos electro-

mecánicos para el tratamiento

del agua

NO SI

Costes por m3 de agua tratada < 0.1€/m3 > 2€/m3

Tabla 17: Comparativa sistema anaerobio vs sistema aerobio.


En conclusión, tras haber analizado a fondo los tipos de tratamiento disponibles, sin duda el sistema

anaerobio será el utilizado para el tratado de aguas residuales procedentes de la industria láctea.

90

5.1.2 Funcionamiento del tratamiento anaerobio

Previamente se explicó de manera extensa el tratamiento anaerobio de aguas residuales. Ahora se

explicará de forma más resumida con el propósito de introducir la elección del tipo de reactor para

el tratamiento de las aguas residuales en la industria láctea.

El tratamiento anaerobio es el tratamiento biológico del agua residual en ausencia de aire u oxígeno.

Se aplica generalmente en la eliminación de la contaminación orgánica de las aguas residuales.

En el proceso de degradación anaerobia, el propósito es transformar los contaminantes orgánicos

en:

CO2 + CH4

Materia degradada en disolución

Nuevo microorganismos

Microorganismos

Anaerobios

Figura 43: Proceso de degradación anaerobia.


La digestión anaerobia es el proceso fermentativo que ocurre en el tratamiento anaerobio de las

aguas residuales. El proceso se caracteriza por la conversión de materia orgánica a metano y de

CO2, en ausencia de oxígeno y con la interacción de diferentes poblaciones bacterianas.

En el campo del tratamiento de las aguas residuales, la contaminación orgánica es evaluada a través

de la DQO (demanda química de oxígeno), la cual mide básicamente la concentración de materia

orgánica. La forma de apreciar lo que ocurre con la materia orgánica en el tratamiento anaerobio de

aguas residuales, es comparando su balance de DQO con el del tratamiento aerobio. Así, el balance

quedaría de este modo:

10%

90%

Figura 44: Balance Anaerobio de la materia orgánica.


Contaminantes

Orgánicos

- CO2 + CH4

- Materia degradada en

disolución

- Nuevos microorganismos

DQO CH4

LODO

91

La digestión anaerobia es un proceso de transformación y no de destrucción de la materia orgánica,

como no hay presencia de un oxidante en el proceso, la capacidad de transferencia de electrones de

la materia orgánica permanece intacta en el metano producido. En vista de que no hay oxidación, se

tiene que la DQO teórica del metano equivale a la mayor parte de la DQO de la materia orgánica

digerida (90 a 97%), una mínima parte de la DQO es convertida en lodo (3 a 10%). En las

reacciones bioquímicas que ocurren en la digestión anaerobia, solo una pequeña parte de la energía

libre es liberada, mientras que la mayor parte de esa energía permanece como energía química en el

metano producido.

La degradación anaerobia de la materia orgánica requiere la intervención de diversos grupos de

bacterias facultativas y anaerobias estrictas, las cuales utilizan en forma secuencial los productos

metabólicos generados por cada grupo. La digestión anaerobia de la materia orgánica involucra tres

grandes grupos tróficos y cuatro pasos de transformación:

1. Hidrólisis

Grupo I: bacterias hidrolíticas

2. Acidogénesis

Grupo I: bacterias fermentativas

3. Acetogénesis

Grupo II: bacterias acetogénicas

4. Metanogénesis

Grupo III: bacterias metanogénicas

El proceso se inicia con la hidrólisis de polisacáridos, proteínas y lípidos por la acción de enzimas

extracelulares producidas por las bacterias del Grupo I. Los productos de esta reacción son

moléculas de bajo peso molecular como los azúcares, los aminoácidos, los ácidos grasos y los

alcoholes, los cuales son transportados a través de la membrana celular; posteriormente son

fermentados a ácidos grasos con bajo número de carbonos como los ácidos acético, fórmico,

propiónico y butírico, así compuestos reducidos como el etanol, además de H2 y CO2. Los

productos de fermentación son convertidos a acetato, hidrógeno y dióxido de carbono por la acción

de las bacterias del Grupo II, las cuales son conocidas como “bacterias acetogénicas productoras de

hidrógeno”. Finalmente las bacterias del Grupo III o metanogénicas convierten el acetato a metano

y CO2, o reducen el CO2 a metano (ver Figura 45). Estas transformaciones involucran dos grupos

metanogénicos que son los encargados de llevar a cabo las transformaciones mencionadas

anteriormente: acetotróficas e hidrogenotróficas. En menor proporción, compuestos como el

metanol, las metilaminas y el ácido fórmico pueden también ser usados como sustratos del grupo

metanogénico.

92

Figura 45: Etapas de la digestión anaerobia.

Fuente: [Madigan, 1997, van Haandel, 1994]

Deben ser tenidos en cuenta dos puntos importantes, con respecto a los diferentes procesos que

ocurren durante la digestión anaerobia de la materia orgánica:

1. Según la Figura 45 se observa que solamente cerca del 30% de la materia orgánica afluente es

convertida a metano por la vía hidrogenofílica, por lo tanto una condición necesaria para obtener

una óptima remoción de la materia orgánica en un sistema anaerobio es que la metanogénesis

acetoclástica se desarrolle eficientemente.

2. La fermentación ácida tiende a bajar el pH, debido a la producción de ácidos grasos volátiles

(AGVs) y otros productos intermediarios, mientras que la metanogénesis solo se desarrolla cuando

el pH esta cercano al neutro. Por lo tanto, si por alguna razón la tasa de remoción de AGVs a través

de la metanogénesis no acompaña a la tasa de producción de AGVs, puede surgir una situación de

inestabilidad: baja significativamente el pH del sistema, causando la inhibición de las bacterias

metanogénicas. Esta “Acidificación” del sistema es una de las principales causas de falla

operacional en los reactores anaerobios. Lo anterior puede ser evitado cuando se garantiza un

equilibrio entre la fermentación ácida y la fermentación metanogénica, a través de mantener una

alta capacidad metanogénica y una buena capacidad buffer en el sistema .

93

5.2 Elección del tipo de reactor

5.2.1 Características del efluente

Tras el estudio completo de los tipos de reactores más comunes e utilizados en la industria se ha de

elegir cuál de estos reactores es el más adecuado para tratar los residuos generados en la industria

láctea.

De la PARTE I concluimos que los residuos generados por la industria láctea son residuos con una

alta carga orgánica, algo muy importante a la hora de elegir el tipo de reactor. Estas aguas

residuales tendrán una composición de este tipo:

ppm


DBO5 450-4800 1885

DQO5 1500-2500 2100



pH 5.3-9.4

Grasa 35-500 209

Proteínas 210-560 350


Fósforo 11-160 50



En cuanto a la DQO, los datos en mg/l serían del orden de:

DQO5 : 6.000 mg/l

Esto supone un marcado carácter orgánico, algo que ya se vio anteriormente. Se ha estimado que el

90% de la DQO de las aguas residuales de una industria láctea es atribuible a componentes de la

leche y sólo el 10% a sustancias ajenas a la misma. En la composición de la leche además de agua

se encuentran grasas, proteínas (tanto en solución como en suspensión), azúcares y sales minerales.

Los productos lácteos además de los componentes de la leche pueden contener azúcar, sal,

colorantes, estabilizantes, etc., dependiendo de la naturaleza y tipo de producto y de la tecnología de

producción empleada.

94

Además estas aguas residuales presentan las siguientes características:

Alta biodegradabilidad.

Presencia de aceites y grasas.

Altas concentraciones de fósforo y nitratos, principalmente debidos a los productos de

limpieza y desinfección.

Presencia de sólidos en suspensión, principalmente en elaboración de quesos .

Conductividad elevada (especialmente en las empresas productoras de queso debido al

vertido de cloruro sódico procedente del salado del queso) .

Valores puntuales de pH extremos, debidos a las operaciones de limpieza. Uso de ácidos

y bases en las limpiezas CIP.

Estas características de las aguas residuales son muy importantes puesto que para escoger el

tratamiento más adecuado y evaluar la producción de sólidos biológicos, metano, etc, se deben

conocer las características del líquido a tratar: DBO, DQO, pH, alcalinidad, contenido de nutrientes,

temperatura, presencia de compuestos tóxicos...

De esta manera los compuestos presentes en este agua podrán ser clasificados como de degradación

fácil, difícil o no degradables.

La DQO total afluente que comienza el proceso de degradación puede ser divida en dos:

DOQbd: Se trata de la porción biodegradable. Puede ser degradada biológicamente en

condiciones anaerobias.

DQOrec: Se trata de aquella porción que no puede ser degradada por las bacterias. (DQO

recalcitrante)

De este modo, la materia orgánica biodegradable será consumida por los microorganismos

fermentativos, siendo convertida en células(DQOcel) y ácidos grasos volátiles (DQOAGV).

Finalmente, la mayor parte de estos ácidos grasos volátiles serán transformados en CH4.

Figura 46: Balance de DQO en el proceso de degradación.

Fuente: [Curso tratamiento aguas residuales 2002]

95

5.2.2 Comparativa tipo de reactores anaerobios

En la PARTE II se realizó un extenso estudio a cerca de los tipos de reactores anaerobios presentes

en la industria. Una vez calculado la composición de las aguas residuales a tratar ya es posible

realizar una valoración cualitativa para elegir el reactor que más se ajuste a estas necesidades.

En primer lugar, los dos grandes grupos de reactores anaerobios en base al tipo de crecimiento

microbiano son:

Reactores de lecho fijo

Reactores de crecimiento libre o suspendido

En los primeros, la biomasa está constituida por bacterias formando una película sobre un soporte

fijo, mientras que en los segundo dependen de que los microorganismos formen gránulos o flóculos

en el reactor. Las bacterias que crecen en suspensión deben formar estructuras que las permitan

permanecer en el reactor y no ser lavadas con el efluente, y por lo tanto, la eficacia del proceso

dependerá en gran parte de la capacidad del inóculo (lodos/residuos) para formarlas.

Los reactores de lecho fijo consisten en uno o más tubos empacados con partículas de catalizador,

que operan en posición vertical. Las partículas catalíticas pueden variar de tamaño y forma:

granulares, cilíndricas, esféricas, etc. En algunos casos, especialmente con catalizadores metálicos

como el platino, no se emplean partículas de metal, sino que éste se presenta en forma de mallas de

alambre. El lecho está constituido por un conjunto de capas de este material. Estas mallas catalíticas

se emplean en procesos comerciales como por ejemplo para la oxidación de amoniaco y para la

oxidación del acetaldehídico a ácido acético.

Los reactores de crecimiento suspendido resultan ser mucho más económicos. Este ahorro se debe

al hecho de que los microorganismo se adhieren y agregan unos a otros formando flocs o gránulos

que se mantienen suspendidos en el reactor debido a las condiciones hidráulicas. Mientras que

como ya se explico anteriormente, en los reactores de crecimiento adherido o fijo, las bacterias se

adhieren a un medio soporte formado por material inerte como arena, piedra o plástico.

Por lo tanto al favorecer el desarrollo y retención de gran cantidad de microorganismos en el

reactor, se logran altas velocidades de tratamiento, lo que permite aplicar altas cargas orgánicas en

tanques de volumen reducido. Este, al ser uno de nuestros objetivos principales por poder optimizar

tiempo y volumen, será por tanto el tipo de reactor más adecuado para nuestro tratamiento de aguas

residuales.

96

Debido a su capacidad para tratar aguas residuales con alta carga orgánica, a su coste reducido en

comparación con el resto de reactores y a su velocidad de tratamiento, el reactor más adecuado será

un reactor de crecimiento libre o suspendido. De todos modos, existen diversos tipos de reactores de

este tipo, los cinco más comunes son:

Reactor de mezcla completa (CSTR): Es el digestor anaerobio más simple. Viene a ser

un cultivo microbiano continuo, con una entrada continua de medio y una salida

continua de residuos (agua tratada) y exceso de biomasa.

Reactor de contacto (ACP): Se trata de un reactor de mezcla completa y un posterior

decantador para separar sólidos de líquidos, lo que permite reciclado de parte de la

biomasa.

Reactor anaerobio de flujo ascendente con lecho/manto de lodos (UASB): La

innovación técnica de este tipo de reactores reside en un dispositivo situado en la parte

superior del reactor (separador de tres fases- GSS) que permite separar internamente la

biomasa, el efluente tratado y el biogás. Con ello se consigue acumular grandes

cantidades de biomasa - muy activa - que adopta la estructura de gránulos compactos

con una elevada capacidad de sedimentación. Es el más extendido a escala industrial.

Reactor anaerobio por lotes en serie (ASBR): Tanto la alimentación como la

decantación tienen lugar por lotes en series discontinuas en un único reactor. La

secuencia cíclica incluye cuatro etapas: alimentación, reacción, sedimentación y vaciado.

Reactor anaerobio con deflectores (ABR): Conceptualmente se podría considerar

como una serie de reactores UASB conectados en serie. Está formado por un único

tanque con una serie de deflectores o paneles internos verticales que fuerzan el paso del

agua entre ellos.

97

A partir del estudio de cada uno de los reactores por separado se realizará una comparación para

decidir cuál de ellos es el más adecuado para el tratamiento de aguas residuales en la industria

láctea. En la siguiente tabla se realiza una comparación de las principales características

operacionales:

TIPO DE REACTOR DE CRECIMIENTO SUSPENDIDO

CARACTERÍSTICAS OPERACIONALES

CSTR ACP UASB ASBR ABR

DQO (Kg DQO/m3/d) 1-6 2-10 5-30 - -

Concentración en el interior (g SSV/L)

2-5 5-10 20-40 - -

Concentración en el efluente (g SS/L)

25-100 0,5-20 0-5 - -

TRH (días) 10-30 1-5 0,2-2 - 2-3

Tiempo de Arranque (días) 30-90 20-60 30-60 - -

Tabla 19: Comparativa de las características operacionales de los distintos tipos de reactores.


Esta tabla muestra que el reactor más completo en cuanto a DQO, concentración y TRH es sin lugar

a dudas el UASB. Se realizará una comparación uno a uno para comprobar que la elección del

UASB es acertada.

5.2.2.1 Comparativa UASB vs CSTR

El reactor de anaerobio de flujo ascendente con lecho de lodos, UASB, parece ser mucho más

completo que el CSTR para las necesidades que se pretenden cubrir al tener una DQO mucho más

elevada, de hasta 5 veces más. En el caso a tratar, aguas residuales en la industria láctea, los

efluentes líquidos poseen una altísima carga orgánica, por lo que necesitarán un reactor anaerobio

capaz de digerir esta alta carga en el menos tiempo posible. Es decir, bajo TRH y alta DQO, algo

que proporciona el reactor UASB con mucha más garantía que el CSTR.

Cabe destacar, que el reactor CSTR es el digestor anaerobio más simple y por esa razón su DQO es

limitada y su TRH muy alto. Este TRH es largo puesto que carece de medios específicos de

retención de biomasa.

Este tipo de reactores CSTR son utilizados normalmente para el tratamiento de fangos de aguas

residuales urbanas, y de influentes con estiércoles y aquellos provenientes de actividades agrícolas o

agroindustriales.

98

Comparativa UASB vs ACP

Del mismo modo que en el caso anterior, el reactor UASB posee unas características operacionales

mucho más adecuadas que el ACP para el tratamiento de aguas residuales con alta carga orgánica.

A pesar de que el reactor ACP admite una DQO mayor que el CSTR, sigue siendo un valor menor

que la que admite el UASB, y por tanto se trata de un reactor menos adecuado. En cuanto al tiempo

de retención hidráulico, son valores cercanos en ambos casos.

Como ventajas, este tipo de reactores presentan bajos costes de inversión y operación aunque no

mucho menores que los que puede presentar un UASB, el resto de ventajas, como pueden ser el

hecho de producir energía, necesidad de poco espacio o baja producción de lodos son comunes a los

reactores UASB. Por estos motivos no parece existir razón alguna para utilizar este digestor.

En cuanto a sus inconvenientes cabría destacar, la insuficiente generación de acidez y metano

cuando se depuran aguas residuales muy diluidas así como su velocidad lenta a temperaturas bajas.

5.2.2.2 Comparativa UASB vs ASBR

Los reactores del tipo ASBR han presentado una gran versatilidad para el tratamiento de distintas

aguas residuales, las cuales pueden contener gran variedad de compuestos. En el caso particular de

la industria de lácteos, las aguas residuales a tratar, contienen un 90% de contaminantes

provenientes de la leche por lo que no contendrán diversidad de compuestos, solamente una gran

carga orgánica. Debido a esto, no es necesario un reactor tan versátil sino uno que se ajuste a las

necesidades de los efluentes.

Este tipo de reactores son comunes a la hora de tratar:

-Tratamiento aguas residuales sintéticas con fenol en reactores ASBR.

- Tratamiento de aguas residuales provenientes de la automotriz en un reactor ASBR.

- Tratamiento de aguas residuales provenientes de la industria cervecera, utilizando biomasa

granular.

- Tratamiento de lodos porcinos diluidos.

- Tratamiento de aguas residuales porcinas a temperaturas psicrófilas (20°C).

- Tratamiento de lixiviado de vertedero.

Una vez más, el reactor UASB parece ser mejor opción para el tratamiento de las aguas residuales

analizadas previamente.

99

5.2.2.3 UASB vs ABR

Este tipo de reactores son fácilmente adaptables, se pueden aplicar a nivel vivienda o para un

vecindario pequeño. Es adecuado si el uso de agua y el suministro de aguas residuales son

relativamente constantes. Realmente se trata de un reactor muy completo y versátil, pero presenta

una serie de inconvenientes que provocará la elección definitiva del reactor UASB como el más

adecuado para el tratamiento de las aguas residuales de la industria láctea.

El principal inconveniente de este tipo de reactor es la necesidad de una fuente constante de agua,

alcanzando niveles de consumo de 200.000 litros/día, además, el efluente requiere de un tratamiento

secundario y/o descarga adecuada lo que supone un coste adicional así como una mayor lentitud.

Además de un tratamiento posterior también precisa un tratamiento previo para prevenir

obstrucciones. Por todo esto, su diseño y construcción ha de ser realizado por expertos. Esta serie de

inconvenientes disparan sus costes y no logra superar las prestaciones del reactor UASB.

5.2.3 Conclusión

Tras las comparaciones entre los diferentes tipos de reactores existentes en el mercado, el reactor

UASB es el digestor más adecuado para el tratamiento de aguas residuales de la industria láctea.

Debido a su capacidad para tratar aguas con alto contenido orgánico, a su bajo tiempo de retención

hidráulica, a su bajo coste y a su bajo consumo de potencia entre otras ventajas, parece ser el

digestor adecuado para tratar los efluentes citados previamente.

100

6 CAPÍTULO VI: Reactor UASB. Diseño y Cálculos.

6.1 Funcionamiento completo de un reactor UASB

El Reactor Anaeróbico de Flujo Ascendente con Manto de Lodos (UASB) es un proceso de tanque

simple. Las aguas residuales entran en el reactor por el fondo, y fluyen hacia arriba. Una capa de

lodo suspendida filtra las aguas residuales, tratándolas al ir atravesándola.

La capa de lodos está formada por gránulos (pequeñas agrupaciones) de microbios (0.5 a 2 mm de

diámetro), microorganismos que por su propio peso se resisten a ser arrastrados por el flujo

ascendente. Los microorganismos en la capa de lodos degradan los compuestos orgánicos. Como

resultado se liberan gases (metano y bióxido de carbono). Las burbujas ascendentes mezclan los

lodos sin necesidad de piezas mecánicas. Las paredes inclinadas vuelcan el material que alcanza la

superficie del tanque. El efluente clarificado es extraído de la parte superior del tanque en un área

por encima de las paredes inclinadas.

Después de varias semanas de uso, se forman gránulos más grandes de lodos que, a su vez, actúan

como filtros de partículas más pequeñas al ir subiendo el efluente por la capa de lodos. Dado el

régimen ascendente, los organismos que forman los gránulos son acumulados, mientras que los

demás son arrastrados por el flujo.

El gas que asciende hacia la superficie es recolectado en un domo y puede ser usado como fuente de

energía (biogás). Se debe mantener una velocidad ascendente de 0.6 a 0.9 m/h para mantener la

capa de lodos en suspensión.

Figura 47: Funcionamiento reactor UASB.

Fuente: [PTAR pequeños poblados, Omar Gallegos]

101

6.1.1 Diagrama de flujo del sistema anaerobio UASB frente al sistema aerobio tradicional.

Diagrama de flujo del sistema aerobio tradicional

Figura 48: Diagrama de flujo del sistema aerobio tradicional de lodos activados.

Fuente: [La tecnología anaerobia U.A.S.B.]

Diagrama de flujo del sistema anaerobio UASB

Figura 49: Diagrama de flujo del sistema anaerobio U.A.S.B.

Fuente: [La tecnología anaerobia U.A.S.B.]

102

6.2 Parámetros de funcionamiento y diseño

6.2.1 Características de los reactores UASB

Los reactores UASB presentan una serie de características que los hacen muy eficientes y

económicos. Estas características son:

Sistema compacto, baja demanda de área.

Bajo costo de construcción y operación.

Baja producción de lodo.

Bajo consumo de energía.

Eficiencias de remoción de DBO y de DQO del orden de 65 a 90%.

Posibilidad de rearranque rápido luego de paradas largas.

El lodo de purga tiene elevada concentración.

El lodo de purga presenta buenas condiciones de deshidratación.

Además, existen diversas limitaciones o problemas que pueden surgir y que deben ser tenidas en

cuenta:

Posibilidad de producción de olores.

Poca capacidad del sistema de tolerar cargas tóxicas.

Elevado intervalo de tiempo para realizar el arranque en comparación con otros

sistemas.

Necesidad de una etapa de postratamiento.

Un croquis de este tipo de reactor sería el siguiente:

Figura 50: Esquema de un reactor anaerobio UASB.

Fuente: [Criterios y parámetros de diseño UASB]

103

6.2.2 Principios de funcionamiento del reactor UASB

Las características del flujo ascendente deben asegurar el máximo contacto entre biomasa y

sustrato. En este tipo de reactores es importante evitar cortocircuitos. En cuanto al sistema de

separación de las 3 fases (sólido, líquido y gas), debe estar bien adecuadamente diseñado. Por

último, el lodo debe estar bien adaptado, con alta AME y excelentes condiciones de

sedimentabilidad.

Además, se han de cumplir una serie de requisitos ambientales para asegurar el correcto

funcionamiento de este tipo de reactores. Estas condiciones son:

pH y alcalinidad:

El pH debe mantenerse próximo a la neutralidad, pudiendo tener fluctuaciones entre

6.5 y 7.5. Su valor en el digestor no sólo determina la producción de biogás, sino

también su composición. Por otra parte, la alcalinidad, que es una medida de la

capacidad tampón del medio, se recomienda que no sobrepase valores de 0.3-0.4

para evitar la acidificación del reactor.

Nutrientes:

Se requiere unos valores de nutrientes que aseguren el crecimiento de

microorganismos. Para ello es necesaria la presencia de macronutrientes (N, P, S) y

micronutrientes (Fe, Zn, etc.) en proporciones adecuadas. Estos elementos se

encuentran presentes en el líquido residual doméstico.

Una de las ventajas inherentes al proceso de digestión anaerobia es su baja necesidad

de nutrientes como consecuencia de su pequeña velocidad de crecimiento. El

carbono y el nitrógeno son las fuentes principales de alimentos de las bacterias

formadores de metano. Por lo tanto, la relación Carbono/Nitrógeno tiene una gran

importancia para el proceso fermentativo, recomendándose un ratio 20-30 como el

óptimo.

Temperatura

A medida que aumenta la temperatura, aumenta con ella la velocidad de crecimiento

de los microorganismos y se acelera el proceso de digestión dando lugar a mayores

producciones de biogás. La temperatura de operación en el digestor, está considerada

uno de los principales parámetros de diseño, ya que variaciones bruscas de

temperatura en el mismo podría provocar una desestabilización en el proceso.

En cuanto a la temperatura se distinguen dos rangos fundamentalmente, el rango

mesófilo (25-45ºC) y el rango termófilo (50-55ºC). El primero es el más común a

pesar de que el termófilo se está utilizando cada vez más para lograr una mayor

velocidad del proceso, y por tanto una mejor eliminación de organismos patógenos.

Sin embargo, el rango termófilo suele ser más inestable ante los cambios en las

condiciones de operación y presenta además problemas de inhibición del proceso por

la sensibilidad a compuestos concretos como el amoniaco.

104

6.3 Datos experimentales

Tras realizarse el estudio del volumen de aguas residuales de una Estación Depuradora de Aguas

Residuales (EDAR) se encontraron diferencias de caudales a lo largo de un mismo día, en función

de las horas. El balance de caudales se observa en las siguientes tablas:

LUNES

Figura 51: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el lunes.


LUNES

Hora Q [m3/h] Q acum

1:00 0 0

2:00 0 0

3:00 0 0

4:00 0 0

5:00 0 0

6:00 63 63

7:00 70 133

8:00 77 210

9:00 84 294

10:00 91 385

11:00 77 462

12:00 91 553

13:00 70 623

14:00 49 672

15:00 42 714

16:00 49 763

17:00 35 798

18:00 42 840

19:00 28 868

20:00 28 896

21:00 28 924

22:00 11,2 935,2

23:00 1,4 936,6

0

20

40

60

80

100

Q [m3/h]

Q [m3/h]

0100200300400500600700800900

1000

Q acum

Q acum

105

MARTES

Figura 52: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el martes.


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Q acum

Q acum

MARTES


1:00 0 0

2:00 0 0

3:00 0 0

4:00 0 0

5:00 0 0

6:00 66 66

7:00 69 135

8:00 80 215

9:00 82 297

10:00 89 386

11:00 77 463

12:00 92 555

13:00 70 625

14:00 47 672

15:00 43 715

16:00 49 764

17:00 33 797

18:00 41 838

19:00 27 865

20:00 28 893

21:00 28 921

22:00 10 931

23:00 1,5 932,5

0:00 932,5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Q [m3/h]

Q [m3/h]

106

MIÉRCOLES

Figura 53: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el miércoles.


MIERCOLES


1:00 0 0

2:00 0 0

3:00 0 0

4:00 0 0

5:00 0 0

6:00 65 65

7:00 69 134

8:00 77 211

9:00 85 296

10:00 90 386

11:00 75 461

12:00 95 556

13:00 72 628

14:00 49 677

15:00 43 720

16:00 48 768

17:00 36 804

18:00 42 846

19:00 29 875

20:00 28 903

21:00 25 928

22:00 11 939

23:00 1,1 940,1

0:00 0 940,1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Q [m3/h]

Q [m3/h]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Q acum

Q acum

107

JUEVES

Figura 54: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el jueves.


JUEVES


1:00 0 0

2:00 0 0

3:00 0 0

4:00 0 0

5:00 0 0

6:00 68 68

7:00 72 140

8:00 77 217

9:00 89 306

10:00 91 397

11:00 77 474

12:00 98 572

13:00 73 645

14:00 51 696

15:00 48 744

16:00 52 796

17:00 41 837

18:00 43 880

19:00 31 911

20:00 28 939

21:00 26 965

22:00 13 978

23:00 3 981

0:00 0 981

0

20

40

60

80

100

120

Q [m3/h]

Q [m3/h]

0

200

400

600

800

1000

1200

Q acum

Q acum

108

VIERNES

Figura 55: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el viernes.


VIERNES


1:00 0 0

2:00 0 0

3:00 0 0

4:00 0 0

5:00 0 0

6:00 65 65

7:00 73 138

8:00 81 219

9:00 89 308

10:00 95 403

11:00 81 484

12:00 96 580

13:00 73 653

14:00 51 704

15:00 44 748

16:00 52 800

17:00 37 837

18:00 44 881

19:00 30 911

20:00 30 941

21:00 29 970

22:00 6 976

23:00 1,1 977,1

0:00 977,1

0

20

40

60

80

100

120

Q [m3/h]

Q [m3/h]

0

200

400

600

800

1000

1200

Q acum

Q acum

109

Tras el estudio de la EDAR a lo largo de la semana, se realiza ahora una media para evaluar con

mayor perspectiva este caudal y poder realizar el diseño del reactor con mayor precisión.

Figura 56: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas de media.


MEDIA


1:00 0 0

2:00 0 0

3:00 0 0

4:00 0 0

5:00 0 0

6:00 65,37986541 65,3798654

7:00 70,58140766 135,975125

8:00 78,38075388 214,372371

9:00 85,75479548 300,146668

10:00 91,17752123 391,332735

11:00 77,37553975 468,71572

12:00 94,36480064 563,097223

13:00 71,58711481 634,687757

14:00 49,37715623 684,072013

15:00 43,95173495 728,051761

16:00 49,97214793 778,030163

17:00 36,30563299 814,392256

18:00 42,38778413 856,782228

19:00 28,9654679 885,76013

20:00 28,38903799 914,156364

21:00 27,1597322 941,359967

22:00 9,920671337 951,615898

23:00 1,501153779 953,228489

0:00 0 953,228489

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Q [m3/h]

Q [m3/h]

0

200

400

600

800

1000

1200

Q acum

Q acum

110

De este estudio, se pueden extraer conclusiones de caudal que serán claves a la hora de realizar el

diseño. Estos valores son los que serán utilizados para dimensionar nuestro reactor de manera

adecuada. En las siguientes tablas se muestran los caudales más significativos y que aerán los

determinantes para el cálculo de este digestor:

Q diario medio [m3/dia] 953,228489

Q medio 16 horas [m3/h] 59,5767805

Cp 2

Q punta [m3/h] 119,153561

Q punta diario [m3/dia] 1906,45698

Q medio [m3/h] 60

Sobredimensionamiento 1,25

Q diseño [m3/h] 75

Q punta de diseño [m3/h] 120

Tabla 20: Tablas de caudales para el diseño.


Estos datos serán explicados con más detalle en el siguiente apartado: "Diseño del reactor UASB".

Los dos pilares fundamentales para el diseño de este reactor son el caudal de aguas que va a recibir

y la composición que poseen dichas aguas. Una vez realizados ambos estudios, se puede comenzar

el diseño del reactor con cálculos teóricos. En el siguiente gráfico se recuerda la composición de las

aguas a tratar:

ppm


DBO5 450-4800 1885

DQO5 1500-2500 2100



pH 5.3-9.4

Grasa 35-500 209

Proteínas 210-560 350


Fósforo 11-160 50



111

6.4 Diseño del reactor UASB

6.4.1 Datos diseño

6.4.1.1 Caudal

Tras el estudio realizado en el apartado "4.3 Datos experimentales", se concluyó que el caudal

diario medio es de 953 [m3/día], lo que supone un caudal medio de trabajo, al estar trabajando sólo

durante 16 horas, de 60[m3/hora], por seguridad se realizará un sobredimensionamiento de un 25%.

Por lo tanto, el caudal con el que trabajaremos será de 75[m3/hora] por cada reactor. Sin embargo, a

pesar de ser este el punto de diseño medio, habrá que diseñar para el caudal punta de diseño que

corresponde como figura en la "Tabla 20" a 120[m3/hora].

En conclusión, el reactor será diseñado para soportar un caudal de 120 [m3/hora], o lo que es

equivalente,

Qmáximo = 2880 [m3/día]

Qdiseño = 1800[m3/día]

Por tanto, el reactor se diseñará para soportar caudales de hasta 2880 [m3/día] pero se tratará como

caudal de funcionamiento el caudal medio.

6.4.1.2 Concentración

Las aguas residuales generadas en la industria láctea, tras todo el estudio realizado se concluyó que

tienen un alta carga orgánica, que será la utilizada para la generación de CH4.

Como se aprecia en la "Tabla 21", la carga orgánica será de:

DQO5 = 6000 [mg/l] Concentración = 6 [Kg DQO5/m3]

6.4.1.3 COV: Carga Orgánica Volumétrica

La carga orgánica volumétrica no ha de superar el límite de 15 [kg DQO/m3]:

COV ≤ 15 [kg DQO/m3]

6.4.1.4 CHV: Carga Hidráulica Volumétrica

La carga orgánica volumétrica no ha de superar los 5 [m3/m3.d], lo que hará que el TRH sea menor

que 4.8 horas.

112

6.4.2 Cálculo del volumen de reactor

COV(kg DQO/m3) = Q(m3/día)*Concentración(kg DBO/m3)/Volumen Reactor(m3)

Luego:

V (m3) = [1800(m3/día)*6(kg DBO/m3)]/15(kg DQO/m3)

Comprobamos que no supera la CHV:

CHV(m3/m3.d) = Q(m3/día)/V(m3)

CHV(m3/m3.d) = 1800(m3/día)/720(m3)

OK!

6.4.3 Cálculo de la velocidad superficial del flujo

La velocidad superficial tendrá los siguientes valores en función del caudal para líquidos

domésticos:

Tabla 22: Valores de velocidad superficial en función del caudal para líquidos domésticos.

Fuente: [Reactores Anaerobios, 2002]

Sin embargo, para aguas con altas cargas orgánicas como las que se están tratando, la velocidad

superficial ronda entre 0.9 - 1.2. Para este estudio se tomará:

V (m/h) = 1.1 (m/h)

Volumen del reactor = 720 [m3]

CHV = 2.5(m3/m3.d) ≤ 5

113

6.4.3.1 Cálculo del THRmedio

TRHmedio = Volumen del Reactor (m3)/Qmedio(m3/hora)

TRHmedio = 720 [m3]/75 [m3/hora]

6.4.4 Cálculo de la altura del reactor

V(m/h) = H(m)/TRH(horas)

H(m) = 1.1(m/h)*10(horas)

6.4.5 Cálculo área de la base del reactor

V(m3) = Base(m) * Altura(m)

Base(m) = 720(m3)/11(m)

Al ser un reactor cilíndrico:

TRHmedio ≈ 10 horas

Altura Reactor = 11 metros

Base = 65 (m2)

Radio Base = 4.6 (m)

114

6.5 Descripción gráfica del tanque del reactor

Figura 57: Representación gráfica de la forma del reactor UASB.


6.6 Piezas complementarias

6.6.1 Cámara de sedimentación

La profundidad de la cámara de sedimentación será de 1.8m puesto que el rango de valores entre los

que suele estar oscila entre 1.5-2 m.

Las paredes del sedimentador serán inclinadas (45º).

Se instalarán deflectores debajo de las aberturas de ingreso al sedimentador (sobresaliendo 10-15

cm) para evitar ingreso de gases.

Volumen = 720 m3

TRH = 10 horas

V = 1.1 m/h

115

6.7 Generación de CH4 y rendimientos del reactor

6.7.1 Cálculo de CH4 generado

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

(16gr) (64gr) (44gr) (36gr)

De la ecuación surge que 1 mol de CH4 requiere 2 moles de O2 para su completa oxidación. Para el

caso de la glucosa se tendrá que por cada mol de glucosa se generan 3 moles de CH4 (48 gr) que

requieren de un consumo de 192 gr de O2 para su oxidación, siendo entonces la demanda de

oxígeno igual a 192 gr (se remueven 192 gr de DQO).

En resumen, cada 16 gr de CH4 producido y liberado se consumen 64 gr de O2 (se remueven 64 gr

de DQO).

A partir de esta igualdad (64gr de DQO = 16gr de CH4) se puede hallar el volumen de CH4

generado en nuestro reactor.

(Kg DQO/día) = Qdiseño(m3/día)*Concentración(Kg DQO/m3)

(Kg DQO/día) = 1800(m3/día)*6(Kg DQO/m3)

Ahora se ha de calcular esto en volumen, es decir, en litros.

VCH4 = DQOCH4 / k(T) K(T) = K.P / R(273+T)

Con: VCH4 = volumen de CH4 liberado (l)

DQOCH4 = DQO convertida en metano (grDQO removido)

K = gr DQO por 1 mol de CH4 (64 grDQO / molCH4)

R = cte. de los gases (0.08206 atm.l/mol.°K)

P, T = presión atmosférica (atm) y temperatura (ºC)

(Kg DQO/día) = 10800 (Kg DQO/día)

(Kg CH4/día) = 2700 (Kg CH4/día)

116

K(T) lo tomaremos para una temperatura comprendida entre 30-60ºC. De este modo obtenemos un

valor de K(30-60º) = 24.

Por tanto:

VCH4 = DQOCH4 / k(T)

VCH4 = 10800/24

Como se explicó anteriormente, de este gas, aproximadamente el 80% constituye gas metano. Esto

supondría una generación de 90 litros de gas metano al día.

6.8 Eficiencia

Eficiencia DQO:

EDQO = 100*(1 - 0.68*TRH-0.35)

EDQO = 69.6%

Eficiencia DBO:

EDBO = 100*(1 - 0.7*TRH-0.5)

EDBO = 77.86%

Eficiencia SS:

ESS = 250/TRH + 10

ESS = 35%

VCH4 al día = 112.5 litros

117

7 CAPÍTULO VII: Valoración Económica

En la siguiente tabla se ha realizado un estudio económico del proyecto. La finalidad de esto es

comprobar que el proyecto resulta económicamente viable y podría llevarse a cabo con beneficios.

Cabe destacar antes de observar la gráfica, cómo se ha calculado el beneficio económico:

112.5 litros CH4/día 618750 KCal

Con el actual precio del KWh, de 0.06€/KWh, el ahorro anual que supondría la instalación de un

reactor de este tipo sería de 15780€, esto, en valores netos.

En cuanto a los costes serían los siguientes:

1. El coste de la inversión sería :

Coste de equipos: 53.000€

Estudio y planificación: 1.000€

Instalación y puesta a punto: 2.000€

2. Costes de mantenimiento:

Mantenimiento: 9.000€/anuales

Administración: 5% sobre el beneficio obtenido.

3. Amortización:

Lineal a 13 años.

4. Inflación:

3%

En la tabla que se presenta a continuación se observan los valores finales detalladamente:

1 L CH4 = 5500Kcal 1 Kcal = 1,16*10-3KWh

720 KWh

720 KWh/día 15.780€/año

118

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Acum

Ingresos gen k€ 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8

Seguros k€ 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2 0,2

Terrenos k€ 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Manten k€ 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Admin k€ 0,8 0,8 0,8 0,9 0,9 0,9 0,9 1,0 1,0 1,0 1,1 1,1 1,1 1,1 1,2 1,2 1,3 1,3 1,3 1,4

Marg bruto k€ 14,9 14,9 14,9 14,8 14,8 14,8 14,7 14,7 14,7 14,6 14,6 14,6 14,5 14,5 14,5 14,4 14,4 14,3 14,3 14,3

Amort k€ 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 2,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 56,0

BAIT k€ 10,4 10,4 10,4 10,3 10,3 10,3 10,3 10,2 10,2 10,2 10,1 10,1 12,3 14,5 14,5 14,4 14,4 14,3 14,3 14,3

Res finanz k€ 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

BAT k€ 10,4 10,4 10,4 10,3 10,3 10,3 10,3 10,2 10,2 10,2 10,1 10,1 12,3 14,5 14,5 14,4 14,4 14,3 14,3 14,3

Impuestos k€ 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

BN k€ 10,4 10,4 10,4 10,3 10,3 10,3 10,3 10,2 10,2 10,2 10,1 10,1 12,3 14,5 14,5 14,4 14,4 14,3 14,3 14,3

Amort k€ 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 2,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 56,0

Desemb k€ 56,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 56,0

CF k€ -56,0 14,9 14,9 14,9 14,8 14,8 14,8 14,7 14,7 14,7 14,6 14,6 14,6 14,5 14,5 14,5 14,4 14,4 14,3 14,3 14,3 236,1

CF Acum k€ -56 -41 -26 -11 3 18 33 48 62 77 92 106 121 135 150 164 179 193 208 222 236

invers 56 k€ % financiado 0% % años 12

VAN 162 interes 5,5% %

TIR 26,2%

Imp sociedades 0,0% % Gasto mant 0,6 € / MWh Gasto Admin 5,0% % Seguro 90 € / torre Alq terrenos 0,00 € / kW Inflación 3% % Increm Pool 3% % Inremento primas 1% %

119

De esta tabla se pueden obtener múltiples conclusiones, que serán enumeradas a continuación:

Durante los 3 primeros años tras la inversión inicial no se obtendrán beneficios sino que se

estará amortizando la instalación.

A partir del cuarto año comenzará a generarse un beneficio.

El proyecto será por lo tanto rentable al cabo de tres años de su instalación.

El beneficio neto que se obtendrá al cabo de 20 años será de 162.000€.

Se podrá concluir que la realización y ejecución de este proyecto es altamente rentable. Por lo tanto

sería un proyecto viable de realizar, con altos beneficios tanto económicos como para el medio

ambiente al tratarse de una energía limpia. Además de generarse energía se lleva a cabo un proceso

de eliminación de residuos orgánicos, algo que siempre es beneficioso.

Para finalizar, el balance económico podría resumirse del siguiente modo:

Se puede concluir que se trata de un proyecto tanto viable como rentable desde el punto de vista

tanto de diseño como de mantenimiento.

56.000€

INVERSIÓN

162.000€

BENEFICIO NETO TRAS 20 AÑOS

120

8 CAPÍTULO VIII: CONCLUSIÓN

Tras el estudio exhaustivo de los procesos en la industria láctea y de los residuos generados

en todos y cada uno de sus procesos, se han obtenido resultados de diversos tipos. Como

conclusión principal, y tratándose de uno de los puntos más determinantes en la realización

del proyecto, cabría destacar el altísimo porcentaje de residuos orgánicos generados en estos

procesos. Sobresaliendo notablemente la presencia de lactosuero en las etapas relacionadas

con la producción de quesos. Gracias a esta conclusión se ha desarrollado el proyecto de

"Diseño e implantación de un reactor anaerobio UASB en la industria de los lácteos para su

uso como fuente de energía de co-generación". Si los residuos analizados no tuviesen un alto

contenido lácteo, la generación de gas metano sería escasa y por tanto su rentabilidad y

viabilidad se verían limitadas.

Por lo tanto, se puede afirmar que este tipo de industria genera el residuo óptimo para ser

metanizado, debido a su alta carga orgánica. El problema surge a la hora de elegir un

reactor. Sin embargo, y a pesar de la diversidad de reactores, ya sean aerobios o anaerobios,

la elección fue directa, un reactor del tipo UASB. Esto se debe a su gran capacidad para

metanizar grandes caudales con alta carga orgánica, además de su bajo coste de

mantenimiento e instalación. Estas son algunas de sus ventajas entre muchas otras. Lo que

no admite discusión es que se trata del reactor más adecuado para el afluente a tratar, algo

que se encuentra perfectamente explicado.

Una vez se eligió el tipo de reactor, era hora de plantearse la viabilidad del proyecto. La

viabilidad comienza por el diseño del reactor. Tras una gran cantidad de cálculos teniendo

en cuenta todas las variables, se elige diseñar un reactor de 11m de altura por 9.2m de

diámetro base. Estas son las dimensiones óptimas para llevar a cabo el proceso anaerobio y

de generación de gas metano de forma adecuada.

Tras estudiar lo tipos de residuos, el tipo de reactor elegido y haberse diseñado el mismo, se

lleva a cabo la parte más compleja a la par que importante, analizar la viabilidad del

proyecto. Teniendo en cuenta los factores a los que se enfrentará el proyecto, se realiza una

simulación de valores para obtener el beneficio que se obtendrá. Una vez se realizan estos

cálculos se comprueba que se trata de un proyecto viable, con capacidad de obtener

beneficios a medio plazo. Una vez instalado el reactor, pasarían tres años y se comenzaría a

obtener beneficios, en concreto más de 160.000€ durante 20 años.

Por último, hacer hincapié en la importancia de las energías renovables como fuente

alternativa de co-generación. Como se ha explicado a lo largo de este proyecto, se puede

generar energía a través de residuos orgánicos. Es más se pueden aprovechar los residuos

que contaminarían para generar energía e incluso obtener un beneficio económico de ello.

Por tanto, la energía puede generarse de forma limpia y casi ilimitada siempre que se

apueste por su desarrollo e investigación. Esto es, sin duda, algo positivo.

121

BIBLIOGRAFÍA

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contaminación en la Industria láctea, Mayo 2002.

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Diciembre 2009.

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[8] Curso Tratamiento Aguas Residuales 2002, Tratamiento mediante reactores Anaerobios.

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Octubre 2007.

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122

Borja

Iglesias

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DISEÑO E IMPLATACIÓN DE UN REACTOR ANAEROBIO UASB EN … · La segunda parte del proyecto es un estudio de los tipos de reactores presentes en el mercado. Existen dos grandes grupos